馬克斯·普朗克物質結構與動力學研究所(MPSD)的理論物理學家已經證明了強激光、電子的運動及其自旋之間的耦合是如何影響超快時間尺度上的光的發射的。存在于各種物質中的電子是帶電粒子，因此對光的應用有反應。當一個強烈的光場擊中一個固體時，電子經曆了一個被稱為洛倫茲力的力，這個力驅動着它們，并誘發了一些反映材料特性的精緻的動态變化。這反過來又導緻電子發射不同波長的光，這種著名的現象稱為高次諧波産生。
電子在光場的影響下究竟如何運動，取決于固體屬性的複雜混合物，包括其對稱性、拓撲結構和能帶結構，以及光脈沖的性質。此外，電子就像旋轉的陀螺。它們有一種順時針或逆時針旋轉的傾向，這種特性在量子力學中被稱為電子的 “自旋”。
在最近的一項研究中，MPSD的一個團隊承擔了一項具有挑戰性的任務，即了解光和電子的自旋如何在Na3Bi中相互作用，Na3Bi是一種被稱為狄拉克半金屬（石墨烯的三維類似物）的拓撲材料，通過一種被稱為自旋-軌道耦合的效應。這種相對論效應将粒子的自旋與它在一個電勢内的運動聯系起來，這個電勢是強光可以在超快時間尺度上修改的。
更好地理解自旋-軌道耦合是如何在這些時間尺度上影響電子動力學的，是理解複雜量子材料中電子動力學的重要一步，因為這種效應經常存在。事實上，正是自旋-軌道耦合常常使量子材料在未來的技術應用中變得有趣。它有望帶來下一代的電子設備，即拓撲電子系統。
研究作者展示了自旋-軌道耦合如何影響固體電子帶内電子的速度，有效地像一個取決于電子自旋的磁場一樣發揮作用。
他們證明了電子速度的變化如何影響Na3Bi中的電子動力學，而且這種影響有時會不利于高階諧波的産生。雖然這種材料是無磁的，但研究小組表明，電子的自旋對動力學很重要，因為它與電子感受到的電位相耦合，而電位被強烈的應用光場改變。
另一個重要的發現是，自旋-軌道耦合可以改變所發射的高次諧波的特性，例如，它們的時間。這些變化包含了内部電子動力學的關鍵信息。特别是，作者表明，由自旋電流給出的超快自旋動力學會被編碼在發射的光的屬性中。鑒于目前測量自旋電流具有挑戰性，這項研究為利用強光對自旋電流以及磁化動力學或量子材料中可能存在的不尋常的自旋紋理進行高諧波光譜研究開辟了有趣的前景。
這項工作作為一個平台，可以更好地理解強場驅動的固體中自旋軌道耦合、自旋電流、拓撲結構和電子動力學之間的聯系--這是發展基于量子材料的petahertz電子産品的關鍵一步。
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