Når lys og elektroner spinder sammen

Teoretikere ved MPSD har demonstreret, hvordan koblingen mellem intense lasere, elektronernes bevægelse og deres spin påvirker emissionen af ​​lys på den ultrahurtige tidsskala. Deres arbejde er blevet udgivet i npj Computational Materials .

Elektroner, der er til stede i alle slags stof, er ladede partikler, og derfor reagerer de på påføring af lys. Når et intenst lysfelt rammer et fast stof, oplever disse partikler en kraft, kaldet Lorentz-kraften, som driver dem og fremkalder en udsøgt dynamik, der afspejler materialets egenskaber. Dette resulterer igen i, at elektronerne udsender lys i forskellige farver, et velkendt fænomen kaldet højharmonisk generering.

Præcis hvordan elektronerne bevæger sig under påvirkning af lysfeltet afhænger af en kompleks blanding af egenskaber af det faste stof, herunder dets symmetrier, båndstruktur og topologi, såvel som lysimpulsens beskaffenhed. Desuden er elektroner som snurretoppe. De kan lide at rotere enten med uret eller mod uret, en egenskab kaldet "spin" af elektronerne i kvantemekanikken.

I et nyligt arbejde påtog et hold fra MPSD den udfordrende opgave at forstå, hvordan lyset og elektronens spin kan interagere i Na₃ Bi, et topologisk materiale kendt som et Dirac-semimetal (den tredimensionelle analog af grafen), via en effekt kendt som spin-orbit-kobling. Denne relativistiske effekt kobler partiklens spin til dens bevægelse inde i et potentiale, et potentiale, som intenst lys kan ændre på den ultrahurtige tidsskala.

At forstå bedre, hvordan spin-orbit-kobling påvirker elektrondynamikken på disse tidsskalaer, er et vigtigt skridt i retning af at forstå elektrondynamikken i komplekse kvantematerialer, hvor denne effekt ofte er til stede. Faktisk er det spin-orbit-koblingen, der ofte gør kvantematerialer interessante til fremtidige teknologiske anvendelser. Det forventes at føre til den næste generation af elektroniske enheder, nemlig topologiske elektroniske systemer.

Forfatterne viser, hvordan spin-kredsløbskobling påvirker hastigheden af ​​elektronerne inden for elektronbåndene af faste stoffer, og fungerer effektivt som et magnetfelt, der afhænger af elektronernes spin.

De demonstrerer, hvordan ændringer i elektronhastigheden kan påvirke elektrondynamikken i Na₃ Bi og at denne effekt nogle gange kan være skadelig for genereringen af ​​højordens harmoniske. Mens dette materiale er ikke-magnetisk, har holdet vist, at elektronernes spin er vigtigt for dynamikken, da det kobles til det potentiale, der mærkes af elektronerne, som modificeres af det intense påførte lysfelt.

En yderligere vigtig opdagelse er, at spin-kredsløbskoblingen kan ændre egenskaberne af de udsendte højharmoniske, for eksempel deres timing. Disse ændringer indeholder afgørende information om den indre elektrondynamik. Især viser forfatterne, at den ultrahurtige spindynamik, givet af spinstrømmen, bliver indkodet i egenskaben udsendt lys. I betragtning af, at det i øjeblikket er udfordrende at måle spinstrømme, åbner dette arbejde interessante perspektiver mod at bruge intenst lys til at udføre højharmonisk spektroskopi af spinstrømme, såvel som magnetiseringsdynamik eller usædvanlige spin-teksturer, der kan være til stede i kvantematerialer.

Dette arbejde tjener som en platform for en bedre forståelse af sammenhængen mellem spin-kredsløbskobling, spinstrøm, topologi og elektrondynamik i faste stoffer drevet af stærke felter - et afgørende skridt mod udviklingen af ​​petahertz-elektronik baseret på kvantematerialer. + Udforsk yderligere

Elektron-elektron- og spin-kredsløbsinteraktioner konkurrerer om at kontrollere elektronen