Los teóricos del MPSD han demostrado cómo el acoplamiento entre láseres intensos, el movimiento de los electrones y su espín influye en la emisión de luz en la escala de tiempo ultrarrápida. Su trabajo ha sido publicado en npj Computational Materials .

Los electrones, presentes en todo tipo de materia, son partículas cargadas y por tanto reaccionan ante la aplicación de la luz. Cuando un campo de luz intensa golpea un sólido, estas partículas experimentan una fuerza, llamada fuerza de Lorentz, que las impulsa e induce una dinámica exquisita que refleja las propiedades del material. Esto, a su vez, da como resultado la emisión de luz por parte de los electrones en varios colores, un fenómeno bien conocido llamado generación de armónicos altos.

Exactamente cómo se mueven los electrones bajo la influencia del campo de luz depende de una mezcla compleja de propiedades del sólido, incluidas sus simetrías, estructura de banda y topología, así como la naturaleza del pulso de luz. Además, los electrones son como peonzas. Les gusta rotar en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj, una propiedad llamada "giro" de los electrones en la mecánica cuántica.

En un trabajo reciente, un equipo del MPSD emprendió la desafiante tarea de comprender cómo la luz y el espín del electrón pueden interactuar en Na₃ Bi, un material topológico conocido como semimetal de Dirac (el análogo tridimensional del grafeno), a través de un efecto conocido como acoplamiento espín-órbita. Este efecto relativista acopla el giro de la partícula con su movimiento dentro de un potencial, un potencial que la luz intensa puede modificar en la escala de tiempo ultrarrápida.

Comprender mejor cómo el acoplamiento espín-órbita influye en la dinámica de los electrones en estas escalas de tiempo es un paso importante para comprender la dinámica de los electrones en materiales cuánticos complejos, donde este efecto suele estar presente. De hecho, es el acoplamiento espín-órbita lo que a menudo hace que los materiales cuánticos sean interesantes para futuras aplicaciones tecnológicas. Se espera que conduzca a la próxima generación de dispositivos electrónicos, a saber, los sistemas electrónicos topológicos.

Los autores muestran cómo el acoplamiento espín-órbita afecta la velocidad de los electrones dentro de las bandas de electrones de los sólidos, actuando efectivamente como un campo magnético que depende del espín de los electrones.

Demuestran cómo los cambios en la velocidad de los electrones pueden afectar la dinámica de los electrones en Na₃ Bi y que este efecto a veces puede ser perjudicial para la generación de armónicos de alto orden. Si bien este material no es magnético, el equipo ha demostrado que el giro de los electrones es importante para la dinámica, ya que se acopla al potencial que sienten los electrones, que se modifica por el intenso campo de luz aplicado.

Otro hallazgo importante es que el acoplamiento espín-órbita puede modificar las propiedades de los armónicos altos emitidos, por ejemplo, su temporización. Estos cambios contienen información crucial de la dinámica electrónica interna. En particular, los autores muestran que la dinámica de espín ultrarrápida, dada por la corriente de espín, se codifica en la propiedad de la luz emitida. Dado que actualmente es un desafío medir las corrientes de espín, el presente trabajo abre perspectivas interesantes hacia el uso de luz intensa para realizar espectroscopia de altos armónicos de corrientes de espín, así como dinámicas de magnetización o texturas de espín inusuales que pueden estar presentes en materiales cuánticos.

Este trabajo sirve como plataforma para una mejor comprensión del vínculo entre el acoplamiento espín-órbita, la corriente de espín, la topología y la dinámica de electrones en sólidos impulsados ​​por campos fuertes, un paso crucial hacia el desarrollo de la electrónica de petahercios basada en materiales cuánticos. + Explora más

Las interacciones electrón-electrón y espín-órbita compiten para controlar el electrón