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马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所(MPSD)的理论物理学家已经证明了强激光、电子的运动及其自旋之间的耦合是如何影响超快时间尺度上的光的发射的。存在于各种物质中的电子是带电粒子，因此对光的应用有反应。当一个强烈的光场击中一个固体时，电子经历了一个被称为洛伦兹力的力，这个力驱动着它们，并诱发了一些反映材料特性的精致的动态变化。这反过来又导致电子发射不同波长的光，这种著名的现象称为高次谐波产生。
电子在光场的影响下究竟如何运动，取决于固体属性的复杂混合物，包括其对称性、拓扑结构和能带结构，以及光脉冲的性质。此外，电子就像旋转的陀螺。它们有一种顺时针或逆时针旋转的倾向，这种特性在量子力学中被称为电子的 “自旋”。
在最近的一项研究中，MPSD的一个团队承担了一项具有挑战性的任务，即了解光和电子的自旋如何在Na3Bi中相互作用，Na3Bi是一种被称为狄拉克半金属（石墨烯的三维类似物）的拓扑材料，通过一种被称为自旋-轨道耦合的效应。这种相对论效应将粒子的自旋与它在一个电势内的运动联系起来，这个电势是强光可以在超快时间尺度上修改的。
更好地理解自旋-轨道耦合是如何在这些时间尺度上影响电子动力学的，是理解复杂量子材料中电子动力学的重要一步，因为这种效应经常存在。事实上，正是自旋-轨道耦合常常使量子材料在未来的技术应用中变得有趣。它有望带来下一代的电子设备，即拓扑电子系统。
研究作者展示了自旋-轨道耦合如何影响固体电子带内电子的速度，有效地像一个取决于电子自旋的磁场一样发挥作用。
他们证明了电子速度的变化如何影响Na3Bi中的电子动力学，而且这种影响有时会不利于高阶谐波的产生。虽然这种材料是无磁的，但研究小组表明，电子的自旋对动力学很重要，因为它与电子感受到的电位相耦合，而电位被强烈的应用光场改变。
另一个重要的发现是，自旋-轨道耦合可以改变所发射的高次谐波的特性，例如，它们的时间。这些变化包含了内部电子动力学的关键信息。特别是，作者表明，由自旋电流给出的超快自旋动力学会被编码在发射的光的属性中。鉴于目前测量自旋电流具有挑战性，这项研究为利用强光对自旋电流以及磁化动力学或量子材料中可能存在的不寻常的自旋纹理进行高谐波光谱研究开辟了有趣的前景。
这项工作作为一个平台，可以更好地理解强场驱动的固体中自旋轨道耦合、自旋电流、拓扑结构和电子动力学之间的联系--这是发展基于量子材料的petahertz电子产品的关键一步。
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