Les théoriciens du MPSD ont démontré comment le couplage entre les lasers intenses, le mouvement des électrons et leur spin influence l'émission de lumière à l'échelle de temps ultrarapide. Leurs travaux ont été publiés dans npj Computational Materials .

Les électrons, présents dans toutes sortes de matières, sont des particules chargées et réagissent donc à l'application de la lumière. Lorsqu'un champ lumineux intense frappe un solide, ces particules subissent une force, appelée force de Lorentz, qui les anime et induit une dynamique exquise reflétant les propriétés du matériau. Ceci, à son tour, entraîne l'émission de lumière par les électrons à différentes couleurs, un phénomène bien connu appelé génération d'harmoniques élevées.

La manière exacte dont les électrons se déplacent sous l'influence du champ lumineux dépend d'un mélange complexe de propriétés du solide, notamment ses symétries, sa structure de bande et sa topologie, ainsi que la nature de l'impulsion lumineuse. De plus, les électrons sont comme des toupies. Ils aiment tourner dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, une propriété appelée le "spin" des électrons en mécanique quantique.

Dans un travail récent, une équipe du MPSD a entrepris la tâche difficile de comprendre comment la lumière et le spin de l'électron peuvent interagir dans Na₃ Bi, un matériau topologique connu sous le nom de semi-métal de Dirac (l'analogue tridimensionnel du graphène), via un effet connu sous le nom de couplage spin-orbite. Cet effet relativiste couple le spin de la particule à son mouvement à l'intérieur d'un potentiel, un potentiel que la lumière intense peut modifier sur l'échelle de temps ultrarapide.

Mieux comprendre comment le couplage spin-orbite influence la dynamique des électrons à ces échelles de temps est une étape importante vers la compréhension de la dynamique des électrons dans les matériaux quantiques complexes, où cet effet est souvent présent. En effet, c'est le couplage spin-orbite qui rend souvent les matériaux quantiques intéressants pour de futures applications technologiques. Il devrait conduire à la prochaine génération de dispositifs électroniques, à savoir les systèmes électroniques topologiques.

Les auteurs montrent comment le couplage spin-orbite affecte la vitesse des électrons dans les bandes d'électrons des solides, agissant effectivement comme un champ magnétique qui dépend du spin des électrons.

Ils démontrent comment les changements de vitesse des électrons peuvent affecter la dynamique des électrons dans Na₃ Bi et que cet effet peut parfois être préjudiciable à la génération d'harmoniques d'ordre élevé. Bien que ce matériau soit non magnétique, l'équipe a montré que le spin des électrons est important pour la dynamique, car il se couple au potentiel ressenti par les électrons, qui est modifié par le champ lumineux intense appliqué.

Une autre découverte importante est que le couplage spin-orbite peut modifier les propriétés des hautes harmoniques émises, par exemple leur synchronisation. Ces changements contiennent des informations cruciales sur la dynamique interne des électrons. En particulier, les auteurs montrent que la dynamique de spin ultrarapide, donnée par le courant de spin, est codée dans la propriété de la lumière émise. Étant donné qu'il est actuellement difficile de mesurer les courants de spin, le présent travail ouvre des perspectives intéressantes vers l'utilisation de la lumière intense pour effectuer une spectroscopie à haute harmonique des courants de spin, ainsi que la dynamique de magnétisation ou des textures de spin inhabituelles qui peuvent être présentes dans les matériaux quantiques.

Ce travail sert de plate-forme pour une meilleure compréhension du lien entre le couplage spin-orbite, le courant de spin, la topologie et la dynamique des électrons dans les solides entraînés par des champs forts - une étape cruciale vers le développement de l'électronique pétahertz basée sur les matériaux quantiques. + Explorer plus loin

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