Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Выполненные в рамках проекта работы, в соответствии с названием проекта, были посвящены развитию спектроскопии спиновых шумов. По результатам проведенных исследований были направлены в журналы PRA, PRB и Applied Optics четыре статьи (в настоящее время доступны на ресурсе arXiv.org). Одной из основных задач проекта являлось развитие теории формирования сигнала в спектроскопии спиновых шумов или, в более общей формулировке, развитие теории рассеяния света средой с флуктуирующей гиротропией. В настоящее время развитие теоретических основ этого нового метода оптической радиоспектроскопии представляется крайне актуальным. Вместе с тем необходимость рассмотрения теоретических задач формирования сигнала спиновых шумов возникала в нашей работе естественным образом благодаря некоторым неожиданным результатам проведённых экспериментальных исследований. В частности, при изучении спектров спиновых шумов атомарного цезия в условиях их резонансного зондирования (вблизи линии D2) было обнаружено, что линия резонансного поглощения, неоднородно уширенная вследствие эффекта Доплера, по отношению к сигналу спиновых шумов ведет себя как уширенная однородно. В результате оптический спектр мощности спиновых шумов обнаруживает в центре линии провал, типичный (как было показано ранее) для однородно уширенных переходов. Существенно также, что поляризационные шумы на спектрально разнесённых участках внутри резонансного перехода обнаруживали интересные корреляционные свойства. Одновременно было установлено, что спектр спиновых шумов в условиях резонансного зондирования атомного ансамбля не обнаруживает дополнительного уширения, связанного с быстрой спектральной диффузией атомных резонансов по доплеровскому контуру линии. Развитая теория [1] позволила интерпретировать этот неожиданный эффект «гомогенизации» доплеровского уширения атомной линии. В рамках теории рассеяния света и в особенности в контексте применения двухпучковой методики детектирования флуктуаций оптически прозрачных сред большой интерес представляет влияние диффузионного движения рассеивающих центров (в частности, носителей спина) на величину и спектральные характеристики шумового сигнала. В рамках работы по проекту была развита теория формирования сигнала в предложенной нами ранее двухпучковой аранжировке, учитывающая пространственную диффузию гиротропных частиц [2]. Полученные с помощью этой теории соотношения показывают, что вклад дополнительного наклонного пучка в шумовой сигнал определяется временем диффузии через период интерференционной картины, возникающей при наложении пучков. При большом угле между пучками это может привести к существенному ослаблению (подавлению) указанного вклада и затруднить его наблюдение. Показано, что полученные результаты представляют интерес и с точки зрения пространственного разрешения спин-шумовой томографии. Значительно более общий интерес, имеющие прикладное значение не только в рамках спектроскопии спиновых шумов, представляет собой задача применения метода гетеродинирования рассеянного света для картографирования (томографирования) внутреннего рельефа прозрачных слаборассеивающих сред. Наиболее информативной в этом случае также, на наш взгляд, является двухпучковая схема, когда один из пучков создает рассеянное поле, а другой используется для его гетеродинной регистрации. Проведенные расчеты [3] показали, что наблюдаемый сигнал в этом случае формируется только той областью рассеивающей среды, которая является областью перекрытия пучков. Подготовленная публикация [3] содержит большой объем экспериментальных иллюстраций. В рамках развития магнитометрического потенциала спектроскопии спиновых шумов мы исследовали поведение ядерной системы легированных слоев арсенида галлия в микрорезонаторе в условиях адиабатического перемагничивания системы. Как известно, при получении низких температур методом адиабатического размагничивания, важнейшую роль играет природа расщепления магнитных подуровней системы в окрестности нулевых полей. В работе [4] мы показали, что индуцированные деформацией ядерные квадрупольные расщепления не препятствуют установлению термодинамического равновесия в ядерной подсистеме и, в принципе, не являются преградой для достижения глубокого охлаждения ядерного резервуара до температур порядка микрокельвина. Один из путей дальнейшего развития спектроскопии спиновых шумов, для которой вопросы поляриметрической чувствительности являются чрезвычайно важными, связан с возможностью использования резонаторов Фабри-Перо для макрообъектов, а именно нанесение отражающих покрытий непосредственно на образец. Мы применили такой способ усиления сигнала к образцу легированного арсенида галлия толщиной 600 мкм с многослойными диэлектрическими покрытиями из оксидов кремния и циркония. В результате был продемонстрирован эффект усиления сигнала спиновых шумов, однако, из-за недостаточного совершенства структуры, к которому в таких условиях предъявляются чрезвычайно высокие требования, достичь расчетных характеристик эффекта нам не удалось. Снижение добротности резонатора может являться результатом неустранимых потерь внутри исследуемого образца (рассеяние, поглощение), потерь на интерфейсах и в зеркалах, а также потерь, связанных с неидеальностью резонатора. В любом случае, более совершенная и более универсальная реализация такого подхода, на наш взгляд, может быть достигнута с использованием внешнего резонатора Фабри-Перо, практичность которой мы предполагаем опробовать на следующем этапе. В рамках работ первого года мы планировали провести дальнейшие исследования поляризационных шумов свечения экситон-поляритонного конденсата. Эти исследования представляют большой фундаментальный интерес, и мы возлагали большие надежды на новый образец микрорезонатора с квантовыми ямами, выращенный технологической группой института FORTH-IESL (Ираклион, Греция). Этот образец должен был, в частности, обладать уникальной однородностью, что должно было позволить нам получить интенсивностную характеристику одиночного поляритонного эмиттера в области пороговых накачек. Проведенные тщательные исследования спектральных, угловых и интенсивностных характеристик вторичного свечения этого образца показали, что для наблюдения поляризационных шумов поляритонного конденсата при непрерывном возбуждении требуется специальная конфигурация эксперимента, способствующая пространственной концентрации поляритонов, а также применение оптических и электронных компонентов, обеспечивающих большую чувствительность к малым сигналам. Сформулированы требования, определяющие спектральные и мощностные характеристики оптического возбуждения для корректного исследования припороговых характеристик поляритонного конденсата. 1. M. Yu. Petrov, I. I. Ryzhov, D. S. Smirnov, L. Yu. Belyaev, R. A. Potekhin, M. M. Glazov, V. N. Kulyasov, G. G. Kozlov, E. B. Aleksandrov, and V. S. Zapasskii. Homogenization of Doppler broadening in spin noise spectroscopy. On review in Phys. Rev. A, arXiv:1709.07959v2. 2. G. G. Kozlov, I. I. Ryzhov, and V. S. Zapasskii, “Spin noise spectroscopy of randomly moving spins in the model of light scattering: Two-beam arrangement”. On review in Phys. Rev. A, arXiv:1709.07360v1. 3. G. G. Kozlov, V. S. Zapasskii, and P. Yu. Shapochkin, “Heterodyne detection of scattered light: Application to mapping and tomography of optically inhomogeneous media”. Positively reviewed in Appl. Opt. arXiv:1706.04511v1. 4. M. Vladimirova, S. Cronenberger, D. Scalbert, I. I. Ryzhov, V. S. Zapasskii, G. G. Kozlov, A. Lemaître, and K. V. Kavokin. Spin temperature concept verified by optical magnetometry of nuclear spins. Accepted to Phys. Rev. B: Rapid Communications 4 Dec 2017, arXiv:1706.02528v1.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В результате выполнения очередного этапа работы по проекту были разработаны принципиально новые подходы к решению задачи расширения круга объектов спектроскопии спиновых шумов за счёт примесных диэлектриков — кристаллов и стекол, активированных ионами металлов переходных групп (группы железа, лантанидов и актинидов). Сделанные нами оценки величины сечения фарадеевского рассеяния, например, для ионов редкоземельных металлов, показали, что величина шумового сигнала для них на несколько порядков величины ниже соответствующих сигналов в атомных и полупроводниковых средах. Разработанные нами подходы позволяют осуществить либо детектирование шумов продольной намагниченности (характеризующихся длинными временами релаксации и, соответственно, узким спектром флуктуаций), либо детектирование шумов поперечной намагниченности с предельно высоким спектральным разрешением по оптическому каналу. Применительно к детектированию шумов продольной намагниченности на низких частотах мы разработали метод смещения частоты поляризационного сигнала в высокочастотную область для ухода от фликкер-шумов. Для детектирования спектров спиновых шумов на высоких частотах предложен метод смещения частоты сигнала с помощью гармонически модулированного пробного света. Был также разработан и продемонстрирован на кристалле флюорита, активированном ионами урана, метод стимулированных спиновых шумов, позволяющий использовать технику преобразования Фурье для изучения динамики продольной релаксации примесных парамагнитных ионов в малых магнитных полях. Интересным и новым результатом проведённых исследований явилось обнаружение нескольких резонансов (кратных частоте ларморовой прецессии) в спектрах спиновых шумов паров атомарного цезия, зондируемых резонансным лазерным излучением. Проведенный теоретический анализ линейной задачи неупругого рассеяния света атомными парами во внешнем магнитном поле позволил установить основные закономерности формирования сигнала второй гармоники (шумов выстраивания). Получено удовлетворительное согласие результатов проведенных экспериментальных исследований с предсказаниями теории. Качественно новый экспериментальный результат был получен нами при исследовании одиночных узких квантовых ям на основе полумагнитного полупроводника CdMnTe. В спектре комбинационного рассеяния этих структур в магнитном поле наблюдались крайне интенсивные резонансы множественных переходов с переворотом спина марганца, что вызвало большой интерес к возможности наблюдения в сходных условиях спектров спиновых шумов (которые, по сути дела, также являются результатом эффекта комбинационного рассеяния света). В результате проведённых тщательных измерений в спектре шумов системы было обнаружено три пика — на нулевой, ларморовой и двойной ларморовой частоте. Полученные данные представляют собой первое экспериментальное наблюдение спиновых корреляций высоких порядков. На этом же образце сделана попытка зарегистрировать комбинационно-рассеянное поле вне апертуры пробного света. Отрицательный результат этого опыта, предположительно, свидетельствует о наличии пространственных корреляций в ансамбле спиновой системы.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Наиболее важным научным результатом работ, выполненных в 2019 году, является расширение круга объектов спектроскопии спиновых шумов за счет сред с низким значением сечения фарадеевского вращения [1] — диэлектриков с примесными парамагнитными ионами. В основе нового подхода к решению проблемы лежала идея использования эффекта усиления сигнала спиновых шумов при резонансном зондировании оптических переходов с высоким отношением неоднородной ширины линии к однородной. Кажущаяся парадоксальность этого подхода состояла в том, что для увеличения сигнала шума фарадеевского вращения предлагалось использовать не разрешенные оптические переходы с мощной магнитооптической активностью, а слабые запрещенные переходы с узкими линиями и невысокой константой Верде. Как показал проведенный теоретический анализ, эффект усиления спинового шума (шума фарадеевского вращения) в оптических переходах с неоднородным уширением определяется отношением неоднородной ширины линии к однородной: например, для оптических переходов в трехвалентных редкоземельных ионах фактор усиления может достигать 9 порядков величины. Реализация этого выигрыша, однако, предъявляет чрезвычайно высокие требования к характеристикам пробного лазерного пучка — к спектральной ширине линии его излучения и частотной стабильности. Эксперименты, проведённые на кристаллах флюорита с трехвалентными редкоземельными ионами с использованием высокостабильного перестраиваемого титан-сапфирового лазера, позволили нам успешно реализовать эту идею: в диапазоне частот до 1 ГГц и магнитных полей до 20 мТ были впервые зарегистрированы сигналы ЭПР ионов иттербия и неодима в спектрах шумов фарадеевского вращения. Этот результат открывает новые возможности использования спектроскопии спиновых шумов в научных и прикладных исследованиях. Применительно к исследованиям спектров продольной магнитной восприимчивости кристаллов с примесными парамагнитными центрами нами был развит метод стимулированных спиновых шумов. Идея метода состояла в том, чтобы ввести в круг объектов спектроскопии спиновых шумов парамагнетики с низким значением сечения фарадеевского вращения, которое препятствует применению к ним метода спектроскопии спонтанных шумов фарадеевского вращения. В предлагаемом подходе исследуемый парамагнетик подвергается действию флуктуирующего магнитного поля с «белым» спектром (в определённой полосе частот), и регистрируемый спектр шумов, мощность которых теперь управляется приложенным полем, представляет собой спектр мнимой части его восприимчивости. Проведены экспериментальные исследования спектров стимулированных шумов намагниченности кристалла фторида бария, активированного трехвалентным ураном, обнаружена аномальная полевая зависимость скорости спиновой релаксации примесных ионов и идентифицированы механизмы формирования восприимчивости кристалла. Исследования спектров спиновых шумов паров атомов цезия в условиях резонансного зондирования позволили нам обнаружить ряд эффектов, нелинейных по оптическому каналу. Наиболее выразительным из них является эффект возникновения кратных (относительно частоты ларморовской прецессии) резонансов. Обстоятельные исследования обнаруженного резонанса спинового шума на двойной ларморовской частоте, который проявлялся преимущественно в спектре шумов эллиптичности, позволили нам установить его природу. Было показано, что сигнал второй гармоники прецессионной частоты обусловлен шумами выстраивания, связанного с флуктуациями линейного двулучепреломления среды. Результаты экспериментального и теоретического исследования шумов выстраивания представлены в статье [2], принятой в журнал Physical Review Research. 1. В. С. Запасский «Поляриметрия регулярных и стохастических сигналов в магнитооптике», ФТТ, 61, вып. 5 (2019). 2. А. А. Fomin, M. Yu. Petrov, G. G. Kozlov, M. M. Glazov, I. I. Ryzhov, M. V. Balabas, and V. S. Zapasskii. “Spin-alignment noise in atomic vapor”, принято к публикации в Phys. Rev. Research 27 ноября 2019.