Инфракрасный импульс (синий) возбуждает динамику электронов в объеме Na3Bi. Из-за сильной спин-орбитальной связи электроны со спином вверх (красная стрелка) и электроны со спином вниз (синяя стрелка) следуют разным движениям, которые можно отследить по излучаемому гармоническому свету (синий и фиолетовый импульсы). Авторы и права: Николя Танконь-Дежан / Йорг Хармс, MPSD

Электроны, присутствующие во всех видах материи, являются заряженными частицами и поэтому реагируют на воздействие света. Когда интенсивное световое поле попадает на твердое тело, на эти частицы действует сила, называемая силой Лоренца, которая приводит их в движение и вызывает некую утонченную динамику, отражающую свойства материала. Это, в свою очередь, приводит к излучению света электронами различных цветов — хорошо известному явлению, называемому генерацией высших гармоник.

То, как именно движутся электроны под действием светового поля, зависит от сложной смеси свойств твердого тела, включая его симметрию, зонную структуру и топологию, а также от природы светового импульса. Более того, электроны похожи на волчки. Им нравится вращаться либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки, свойство, называемое «вращением» электронов в квантовой механике.

В недавней работе группа из MPSD поставила перед собой сложную задачу понять, как свет и спин электрона могут взаимодействовать в Na 3 Bi, топологическом материале, известном как полуметалл Дирака (трехмерный аналог графена), благодаря эффекту, известному как спин-орбитальная связь. Этот релятивистский эффект связывает вращение частицы с ее движением внутри потенциала, потенциала, который интенсивный свет может изменить в сверхбыстрой временной шкале.

Лучшее понимание того, как спин-орбитальная связь влияет на динамику электронов в этих временных масштабах, является важным шагом на пути к пониманию динамики электронов в сложных квантовых материалах, где этот эффект часто присутствует. Действительно, именно спин-орбитальная связь часто делает квантовые материалы интересными для будущих технологических приложений. Ожидается, что это приведет к следующему поколению электронных устройств, а именно к топологическим электронным системам.

Авторы показывают, как спин-орбитальная связь влияет на скорость электронов внутри электронных зон твердых тел, эффективно действуя подобно магнитному полю, зависящему от спина электронов.

Они демонстрируют, как изменения скорости электронов могут влиять на динамику электронов в Na 3 Bi и что этот эффект иногда может быть вреден для генерации высших гармоник. Хотя этот материал является немагнитным, команда показала, что спин электронов важен для динамики, поскольку он связан с потенциалом, ощущаемым электронами, который модифицируется интенсивным приложенным световым полем.

Еще одним важным открытием является то, что спин-орбитальная связь может изменять свойства излучаемых высоких гармоник, например, их синхронизацию. Эти изменения содержат важную информацию о внутренней динамике электронов. В частности, авторы показывают, что сверхбыстрая спиновая динамика, задаваемая спиновым током, кодируется в свойстве излучаемого света. Учитывая, что в настоящее время сложно измерить спиновые токи, настоящая работа открывает интересные перспективы использования интенсивного света для выполнения спектроскопии высоких гармоник спиновых токов, а также динамики намагниченности или необычных спиновых текстур, которые могут присутствовать в квантовых материалах.

Эта работа служит платформой для лучшего понимания связи между спин-орбитальной связью, спиновым током, топологией и динамикой электронов в твердых телах, управляемых сильными полями, что является важным шагом на пути к развитию петагерцовой электроники на основе квантовых материалов.