а. Исходная настройка спина 1/2, описывающая вращение квантовой частицы в управляемом магнитном поле, где спин вверх и спин вниз составляют двухуровневые собственные состояния. 
b. В представленной ситуации собственные состояния R и L, одновременно связанные с SAM и OAM, определяются как эквиваленты со спином вверх и вниз соответственно. Эти псевдосостояния со спином вверх и вниз связаны синтетическим магнитным полем. 
c. Для представления спин-орбитальных состояний вводится сфера Пуанкаре высшего порядка, причем два полюса обозначают собственные состояния. 
d. Типичные состояния, нанесенные на карту на сфере (отмечены точками на c), показывающие пространственные изменения распределений поляризации (верхние панели) и фазы (нижние панели) в зависимости от полярного угла. Стрелки на верхних панелях обозначают поляризации; а черные линии на нижних панелях представляют фазовые контуры.

Доказано, что осцилляции Раби являются одним из краеугольных камней квантовой механики, что послужило толчком для серьезных исследований в различных дисциплинах, включая атомную и молекулярную физику, акустику и оптику. Были продемонстрированы различные важные применения, от ядерной магнитно-резонансной томографии и спектроскопии до квантовой обработки информации.

До сих пор были обнаружены только два независимых класса волновых состояний в осцилляциях Раби: спиновые волны и орбитальные волны, в то время как волновое состояние Раби, одновременно объединяющее спин и орбитальный угловой момент, остается неуловимым.

В новой статье, опубликованной в журнале Light: Science & Applications, группа ученых под руководством профессора Чжэнь Ли и Шэньхэ Фу из факультета оптоэлектронной инженерии Цзинаньского университета, Китай, и их коллег сообщила о новой форме колебаний Раби, демонстрирующей как спин, так и орбитальный угловой момент.

Чтобы выявить это фундаментальное явление, они использовали формализм псевдоспина 1/2 и оптически синтезировали управляемое магнитное поле в процессе взаимодействия легкого кристалла. Основываясь на этом формуле, они наблюдали одновременные колебания спина и орбитального углового момента в режимах слабой и сильной связи, вызванные зависящим от пучка синтетическим магнитным полем.

а, b. Электрически перестраиваемое синтетическое магнитное поле обеспечивает переход Раби между различными колебательными режимами: а, V = ±50 В (траектории показаны синим и фиолетовым цветом); б, V = ±200 В (траектории синего и фиолетового цвета). 
c — Спинор медленно перемещается из точки А в исходное положение, постепенно изменяя напряжение от 0 до 1000 В, см. синюю кривую; изменяя при этом знак напряжения, создавая симметричную траекторию (фиолетовая линия). 
d. То же, что описано в пункте c, но в другом случае ширины луча. 
e, f, Эмитированный топологический заряд как функция напряжения после длины связи z = 30 мм в двух разных случаях ширины луча.
Авторы и права: Гохуа Лю, Силян Чжан, Синь Чжан, Янвэнь Ху, Чжэнь Ли, Чжэньцян Чен и Шэньхэ Фу.

Кроме того, они представили электрически настраиваемую платформу, позволяющую точно контролировать переход между различными колебательными режимами Раби, что приводит к излучению пучков орбитального углового момента с настраиваемыми топологическими структурами. Их результаты представляют собой общую основу для изучения спин-орбитальных взаимодействий в режиме высшего порядка, предлагая пути управления спином и орбитальным угловым моментом света в трех и четырех измерениях. Изложенные метод и техника найдут потенциальное применение как в классической, так и в квантовой оптике.

Наблюдаемые осцилляции Раби со спин-орбитальной связью проявляются в одновременных колебаниях спина и орбитального углового момента в зависимости от длины связи в присутствии оптически синтезированных магнитных полей.

Осцилляция Раби частично проявляется в виде разделенных колебаний орбитального момента и длины связи. 
а, b — Интерферограммы, записанные при различных длинах связи: а — эксперименты; б, моделирование. 
c — Моделирование фазовых распределений световых полей на соответствующих длинах связи.
Авторы и права: Гохуа Лю, Силян Чжан, Синь Чжан, Янвэнь Ху, Чжэнь Ли, Чжэньцян Чен и Шэньхэ Фу.

«Мы составляем формализм псевдоспина 1/2 по аналогии с уравнением Паули, описывающим вращение квантовой частицы, и оптически синтезируем магнитное поле посредством взаимодействия света с кристаллом. В системе мы определяем право- и левостороннюю циркулярно поляризованную вихревые лучи как эквиваленты со спином вверх и вниз, связанные с синтезированными магнитными полями, которыми можно полностью управлять, либо структурируя световой луч, либо создавая кристалл».

«Структурированный свет, включающий суперпозицию состояний спина и орбитального углового момента, вызвал значительный интерес, поскольку он обещает многомерное мультиплексирование данных с высокой пропускной способностью. Наша платформа позволяет пространственно-временную модуляцию синтезированных магнитных полей, что позволяет манипулировать структурированными световыми лучами в трех — и четырехмерные конфигурации», — говорят ученые.

«Поскольку условия эквивалентны тем, которые описываются уравнениями Паули, например, в квантовой механике и нелинейной оптике , наши результаты открывают новые возможности для манипулирования спинорами в режиме более высокого порядка».