Os teóricos do MPSD demonstraram como o acoplamento entre lasers intensos, o movimento dos elétrons e seu spin influencia a emissão de luz na escala de tempo ultrarrápida. Seu trabalho foi publicado em npj Computational Materials .
Os elétrons, presentes em todos os tipos de matéria, são partículas carregadas e, portanto, reagem à aplicação da luz. Quando um campo de luz intenso atinge um sólido, essas partículas experimentam uma força, chamada força de Lorentz, que as impulsiona e induz uma dinâmica requintada refletindo as propriedades do material. Isso, por sua vez, resulta na emissão de luz pelos elétrons em várias cores, um fenômeno bem conhecido chamado geração de alta harmônica.

Exatamente como os elétrons se movem sob a influência do campo de luz depende de uma mistura complexa de propriedades do sólido, incluindo suas simetrias, estrutura de banda e topologia, bem como a natureza do pulso de luz. Além disso, os elétrons são como piões. Eles gostam de girar no sentido horário ou anti-horário, uma propriedade chamada "spin" dos elétrons na mecânica quântica.

Em um trabalho recente, uma equipe do MPSD empreendeu a desafiadora tarefa de entender como a luz e o spin do elétron podem interagir no Na₃ Bi, um material topológico conhecido como semimetal Dirac (o análogo tridimensional do grafeno), através de um efeito conhecido como acoplamento spin-órbita. Esse efeito relativístico acopla o spin da partícula ao seu movimento dentro de um potencial, um potencial que a luz intensa pode modificar em uma escala de tempo ultrarrápida.

Entender melhor como o acoplamento spin-órbita influencia a dinâmica dos elétrons nessas escalas de tempo é um passo importante para entender a dinâmica dos elétrons em materiais quânticos complexos, onde esse efeito está frequentemente presente. De fato, é o acoplamento spin-órbita que muitas vezes torna os materiais quânticos interessantes para futuras aplicações tecnológicas. Espera-se que leve à próxima geração de dispositivos eletrônicos, ou seja, sistemas eletrônicos topológicos.

Os autores mostram como o acoplamento spin-órbita afeta a velocidade dos elétrons dentro das bandas eletrônicas dos sólidos, agindo efetivamente como um campo magnético que depende do spin dos elétrons.

Eles demonstram como as mudanças na velocidade do elétron podem afetar a dinâmica do elétron no Na₃ Bi e que esse efeito às vezes pode ser prejudicial para a geração de harmônicos de alta ordem. Embora este material não seja magnético, a equipe mostrou que o spin dos elétrons é importante para a dinâmica, pois se acopla ao potencial sentido pelos elétrons, que é modificado pelo intenso campo de luz aplicado.

Outra descoberta importante é que o acoplamento spin-órbita pode modificar as propriedades dos harmônicos altos emitidos, por exemplo, seu tempo. Essas mudanças contêm informações cruciais da dinâmica interna dos elétrons. Em particular, os autores mostram que a dinâmica de spin ultrarrápida, dada pela corrente de spin, é codificada na propriedade luz emitida. Dado que atualmente é um desafio medir correntes de spin, o presente trabalho abre perspectivas interessantes para o uso de luz intensa para realizar espectroscopia de altas harmônicas de correntes de spin, bem como dinâmicas de magnetização ou texturas de spin incomuns que podem estar presentes em materiais quânticos.

Este trabalho serve como uma plataforma para uma melhor compreensão da ligação entre o acoplamento spin-órbita, corrente de spin, topologia e dinâmica de elétrons em sólidos impulsionados por campos fortes – um passo crucial para o desenvolvimento da eletrônica de petahertz baseada em materiais quânticos. + Explorar mais

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