Theoretici van de MPSD hebben aangetoond hoe de koppeling tussen intense lasers, de beweging van elektronen en hun spin de emissie van licht op de ultrasnelle tijdschaal beïnvloedt. Hun werk is gepubliceerd in npj Computational Materials .

Elektronen, aanwezig in allerlei soorten materie, zijn geladen deeltjes en reageren daarom op de toepassing van licht. Wanneer een intens lichtveld een vaste stof raakt, ervaren deze deeltjes een kracht, de Lorentzkracht genaamd, die hen aandrijft en een voortreffelijke dynamiek induceert die de eigenschappen van het materiaal weerspiegelt. Dit resulteert op zijn beurt in de emissie van licht door de elektronen in verschillende kleuren, een bekend fenomeen dat hoge harmonische generatie wordt genoemd.

Hoe de elektronen precies bewegen onder invloed van het lichtveld, hangt af van een complexe mix van eigenschappen van de vaste stof, inclusief de symmetrieën, bandstructuur en topologie, evenals de aard van de lichtpuls. Bovendien zijn elektronen als tollen. Ze roteren graag met de klok mee of tegen de klok in, een eigenschap die in de kwantummechanica de "spin" van de elektronen wordt genoemd.

In een recent werk ondernam een ​​team van de MPSD de uitdagende taak om te begrijpen hoe het licht en de spin van het elektron kunnen interageren in Na₃ Bi, een topologisch materiaal dat bekend staat als een Dirac-halfmetaal (het driedimensionale analoog van grafeen), via een effect dat bekend staat als spin-baankoppeling. Dit relativistische effect koppelt de spin van het deeltje aan zijn beweging binnen een potentiaal, een potentiaal dat intens licht kan wijzigen op de ultrasnelle tijdschaal.

Beter begrijpen hoe spin-baankoppeling de elektronendynamica op deze tijdschalen beïnvloedt, is een belangrijke stap op weg naar het begrijpen van de elektronendynamica in complexe kwantummaterialen, waar dit effect vaak aanwezig is. Het is inderdaad de spin-baankoppeling die kwantummaterialen vaak interessant maakt voor toekomstige technologische toepassingen. Verwacht wordt dat dit zal leiden tot de volgende generatie elektronische apparaten, namelijk topologische elektronische systemen.

De auteurs laten zien hoe spin-baankoppeling de snelheid van de elektronen in de elektronenbanden van vaste stoffen beïnvloedt, en werkt effectief als een magnetisch veld dat afhangt van de spin van de elektronen.

Ze laten zien hoe veranderingen in de elektronensnelheid de elektronendynamica in Na₃ . kunnen beïnvloeden Bi en dat dit effect soms nadelig kan zijn voor het genereren van harmonischen van hoge orde. Hoewel dit materiaal niet-magnetisch is, heeft het team aangetoond dat de spin van de elektronen belangrijk is voor de dynamiek, omdat het koppelt aan de potentiaal die door de elektronen wordt gevoeld, die wordt gewijzigd door het intense toegepaste lichtveld.

Een andere belangrijke bevinding is dat de spin-baankoppeling de eigenschappen van de uitgezonden hoge harmonischen kan wijzigen, bijvoorbeeld hun timing. Deze veranderingen bevatten cruciale informatie over de interne elektronendynamica. In het bijzonder laten de auteurs zien dat de ultrasnelle spindynamiek, gegeven door de spinstroom, wordt gecodeerd in de eigenschap uitgestraald licht. Gezien het feit dat het momenteel een uitdaging is om spinstromen te meten, opent het huidige werk interessante perspectieven voor het gebruik van intens licht om hoogharmonische spectroscopie van spinstromen uit te voeren, evenals magnetisatiedynamica, of ongebruikelijke spintexturen die aanwezig kunnen zijn in kwantummaterialen.

Dit werk dient als een platform voor een beter begrip van het verband tussen spin-baankoppeling, spinstroom, topologie en elektronendynamica in vaste stoffen aangedreven door sterke velden - een cruciale stap in de richting van de ontwikkeling van petahertz-elektronica op basis van kwantummaterialen. + Verder verkennen

Elektron-elektron en spin-baan interacties concurreren om het elektron te controleren