I teorici dell'MPSD hanno dimostrato come l'accoppiamento tra laser intensi, il movimento degli elettroni e il loro spin influenzi l'emissione di luce su una scala temporale ultraveloce. Il loro lavoro è stato pubblicato su npj Computational Materials .

Gli elettroni, presenti in tutti i tipi di materia, sono particelle cariche e quindi reagiscono all'applicazione della luce. Quando un intenso campo di luce colpisce un solido, queste particelle sperimentano una forza, chiamata forza di Lorentz, che le guida e induce alcune dinamiche squisite che riflettono le proprietà del materiale. Questo, a sua volta, provoca l'emissione di luce da parte degli elettroni a vari colori, un fenomeno ben noto chiamato generazione di alte armoniche.

Il modo esatto in cui gli elettroni si muovono sotto l'influenza del campo luminoso dipende da una complessa miscela di proprietà del solido, comprese le sue simmetrie, la struttura delle bande e la topologia, nonché la natura dell'impulso luminoso. Inoltre, gli elettroni sono come trottole. A loro piace ruotare in senso orario o antiorario, una proprietà chiamata "spin" degli elettroni nella meccanica quantistica.

In un recente lavoro, un team dell'MPSD ha intrapreso l'impegnativo compito di capire come la luce e lo spin dell'elettrone possono interagire in Na₃ Bi, un materiale topologico noto come semimetallo Dirac (l'analogo tridimensionale del grafene), tramite un effetto noto come accoppiamento spin-orbita. Questo effetto relativistico accoppia lo spin della particella al suo moto all'interno di un potenziale, un potenziale che la luce intensa può modificare su una scala temporale ultraveloce.

Comprendere meglio come l'accoppiamento spin-orbita influenza la dinamica elettronica su queste scale temporali è un passo importante verso la comprensione della dinamica elettronica nei materiali quantistici complessi, dove questo effetto è spesso presente. In effetti, è l'accoppiamento spin-orbita che spesso rende i materiali quantistici interessanti per future applicazioni tecnologiche. Si prevede che porterà alla prossima generazione di dispositivi elettronici, vale a dire sistemi elettronici topologici.

Gli autori mostrano come l'accoppiamento spin-orbita influenzi la velocità degli elettroni all'interno delle bande elettroniche dei solidi, agendo efficacemente come un campo magnetico che dipende dallo spin degli elettroni.

Dimostrano come i cambiamenti nella velocità degli elettroni possono influenzare la dinamica degli elettroni in Na₃ Bi e che questo effetto a volte può essere dannoso per la generazione di armoniche di ordine superiore. Sebbene questo materiale non sia magnetico, il team ha dimostrato che lo spin degli elettroni è importante per la dinamica, poiché si accoppia al potenziale percepito dagli elettroni, che viene modificato dall'intenso campo luminoso applicato.

Un'altra importante scoperta è che l'accoppiamento spin-orbita può modificare le proprietà delle armoniche alte emesse, ad esempio la loro temporizzazione. Questi cambiamenti contengono informazioni cruciali sulla dinamica elettronica interna. In particolare, gli autori mostrano che la dinamica di spin ultraveloce, data dalla corrente di spin, viene codificata nella proprietà della luce emessa. Dato che al momento è difficile misurare le correnti di spin, il presente lavoro apre prospettive interessanti sull'uso della luce intensa per eseguire la spettroscopia ad alta armonica delle correnti di spin, così come la dinamica della magnetizzazione, o trame di spin insolite che possono essere presenti nei materiali quantistici.

Questo lavoro funge da piattaforma per una migliore comprensione del legame tra accoppiamento spin-orbita, corrente di spin, topologia e dinamica elettronica nei solidi guidati da campi forti, un passo cruciale verso lo sviluppo dell'elettronica petahertz basata su materiali quantistici. + Esplora ulteriormente

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