Avances hacia la electrónica de petahercios basada en materiales cuánticos

Un pulso infrarrojo (azul) excita la dinámica de electrones en Na3Bi a granel. Debido al fuerte acoplamiento espín-órbita, los electrones de «espín hacia arriba» (flecha roja) y los electrones de «espín hacia abajo» (flecha azul) siguen diferentes movimientos, que son monitoreados por la luz armónica emitida (pulsos azul y violeta) . Crédito: © Nicolas Tancogne-Dejean / Jörg Harms, MPSD

Físicos teóricos del Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia (MPST) han demostrado cómo el acoplamiento entre fotones intensos, el movimiento de los electrones y su espín afecta la emisión de luz en la escala de tiempo ultrarrápida.

Los electrones presentes en todo tipo de materia son partículas cargadas y por lo tanto reaccionan a la aplicación de la luz. Cuando un campo de luz intenso golpea un sólido, los electrones experimentan una fuerza llamada fuerza de Lorentz, que los impulsa e induce una dinámica elegante que refleja las propiedades del material. Esto, a su vez, hace que los electrones emitan luz en diferentes longitudes de onda, un fenómeno conocido como generación de armónicos superiores.

La forma en que los electrones se mueven bajo la influencia de un campo de luz depende de una combinación compleja de propiedades del sólido, incluidas sus simetrías, topología y estructura de bandas, así como la naturaleza del pulso de luz. Además, los electrones son como trompos. En la mecánica cuántica, los electrones tienen tendencia a girar en sentido horario o antihorario, una propiedad llamada «giro».

En un estudio reciente, un equipo de MPSD emprendió la desafiante tarea de comprender cómo pueden interactuar la luz y el espín de un electrón en Na.3Pi es un material topológico llamado semimetal de Dirac (un análogo tridimensional[{» attribute=»»>graphene), via an effect known as spin-orbit coupling. This relativistic effect couples the particle’s spin to its motion inside a potential, a potential that intense light can modify on the ultrafast timescale.

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A better understanding of how spin-orbit coupling influences the electron dynamics on these timescales is an important step towards understanding the electron dynamics in complex quantum materials, where this effect is often present. Indeed, it is the spin-orbit coupling that often makes quantum materials interesting for future technological applications. It is expected to lead to the next generation of electronic devices, namely topological electronic systems.

The authors show how spin-orbit coupling affects the velocity of the electrons within the electron bands of solids, effectively acting like a magnetic field that depends on the electrons’ spin.

They demonstrate how changes in the electron velocity can affect the electron dynamics in Na3Bi and that this effect can sometimes be detrimental to the generation of high-order harmonics. While this material is non-magnetic, the team has shown that the spin of the electrons is important for the dynamics, as it couples to the potential felt by the electrons, which is modified by the intense applied light-field.

A further important finding is that the spin-orbit coupling can modify the properties of the emitted high harmonics, for example, their timing. These changes contain crucial information of the internal electron dynamics. In particular, the authors show that the ultrafast spin dynamics, given by the spin current, get encoded in the property emitted light. Given that it is presently challenging to measure spin currents, the present work opens up interesting perspectives towards using intense light to perform high-harmonic spectroscopy of spin currents, as well as magnetization dynamics, or unusual spin textures that can be present in quantum materials.

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This work serves as a platform for a better understanding of the link between spin-orbit coupling, spin current, topology, and electron dynamics in solids driven by strong fields – a crucial step towards the development of petahertz electronics based on quantum materials.

Reference: “Effect of spin-orbit coupling on the high harmonics from the topological Dirac semimetal Na3Bi” by Nicolas Tancogne-Dejean, Florian G. Eich and Angel Rubio, 6 July 2022, npj Computational Materials.
DOI: 10.1038/s41524-022-00831-6

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