Teoretiker vid MPSD har visat hur kopplingen mellan intensiva lasrar, elektronernas rörelse och deras spinn påverkar ljusemissionen på den ultrasnabba tidsskalan. Deras arbete har publicerats i npj Computational Materials .

Elektroner, som finns i alla typer av materia, är laddade partiklar och därför reagerar de på applicering av ljus. När ett intensivt ljusfält träffar ett fast ämne, upplever dessa partiklar en kraft, kallad Lorentz-kraften, som driver dem och inducerar en del utsökt dynamik som återspeglar materialets egenskaper. Detta resulterar i sin tur i att elektronerna emitterar ljus i olika färger, ett välkänt fenomen som kallas högharmonisk generering.

Exakt hur elektronerna rör sig under påverkan av ljusfältet beror på en komplex blandning av egenskaper hos det fasta ämnet, inklusive dess symmetrier, bandstruktur och topologi, såväl som ljuspulsens natur. Dessutom är elektroner som snurra. De gillar att rotera antingen medurs eller moturs, en egenskap som kallas "spin" av elektronerna inom kvantmekaniken.

I ett nyligen utfört arbete åtog sig ett team från MPSD den utmanande uppgiften att förstå hur ljuset och elektronens spinn kan interagera i Na₃ Bi, ett topologiskt material känt som en Dirac-halvmetall (den tredimensionella analogen av grafen), via en effekt som kallas spin-orbit-koppling. Denna relativistiska effekt kopplar partikelns spinn till dess rörelse inuti en potential, en potential som intensivt ljus kan modifiera på den ultrasnabba tidsskalan.

Att bättre förstå hur spin-omloppskoppling påverkar elektrondynamiken på dessa tidsskalor är ett viktigt steg mot att förstå elektrondynamiken i komplexa kvantmaterial, där denna effekt ofta är närvarande. Det är faktiskt spin-orbit-kopplingen som ofta gör kvantmaterial intressanta för framtida tekniska tillämpningar. Det förväntas leda till nästa generation av elektroniska enheter, nämligen topologiska elektroniska system.

Författarna visar hur spin-orbit-koppling påverkar hastigheten hos elektronerna inom elektronbanden hos fasta ämnen, och fungerar effektivt som ett magnetfält som beror på elektronernas spinn.

De visar hur förändringar i elektronhastigheten kan påverka elektrondynamiken i Na₃ Bi och att denna effekt ibland kan vara skadlig för genereringen av övertoner av hög ordning. Även om detta material är icke-magnetiskt, har teamet visat att elektronernas spinn är viktig för dynamiken, eftersom den kopplas till den potential som känns av elektronerna, som modifieras av det intensiva applicerade ljusfältet.

Ytterligare ett viktigt fynd är att spin-omloppskopplingen kan modifiera egenskaperna hos de emitterade höga övertonerna, till exempel deras timing. Dessa förändringar innehåller avgörande information om den interna elektrondynamiken. Speciellt visar författarna att den ultrasnabba spindynamiken, som ges av spinnströmmen, kodas i egenskapen emitterat ljus. Med tanke på att det för närvarande är utmanande att mäta spinnströmmar, öppnar detta arbete intressanta perspektiv mot att använda intensivt ljus för att utföra högharmonisk spektroskopi av spinnströmmar, såväl som magnetiseringsdynamik eller ovanliga spinntexturer som kan finnas i kvantmaterial.

Detta arbete fungerar som en plattform för en bättre förståelse av kopplingen mellan spinn-omloppskoppling, spinnström, topologi och elektrondynamik i fasta ämnen som drivs av starka fält - ett avgörande steg mot utvecklingen av petahertzelektronik baserad på kvantmaterial. + Utforska vidare

Interaktioner mellan elektron-elektron och spinn-omloppsbana tävlar om att kontrollera elektronen