Demonstration af dynamikken i elektron-lys-interaktion, der stammer fra det første princip

Med den højest mulige rumlige opløsning på mindre end en milliontedel af en millimeter, elektronmikroskoper gør det muligt at studere materialers egenskaber på atomniveau og dermed demonstrere kvantemekanikkens område. Kvantefysiske fundamentale kan studeres særligt godt af interaktionerne mellem elektroner og fotoner. Spændt med laserlys, for eksempel, energien, elektronernes masse eller hastighed ændres.

Professor Nahid Talebi fra Institut for Eksperimentel og Anvendt Fysik ved Kiel Universitet har opfundet en ny værktøjskasse til at udvide den teoretiske beskrivelse af elektron-lys-interaktioner til det højest mulige nøjagtige niveau. Hun har kombineret Maxwell- og Schrödinger-ligninger i en tidsafhængig loop for fuldt ud at simulere interaktionerne fra de første principper. Talebis simulering gør det muligt for første gang at beskrive ultrahurtige processer præcist i teorien og kortlægge dem i realtid uden at bruge adiabatisk tilnærmelse. For nylig, hun præsenterede sine resultater i det anerkendte tidsskrift Fysisk gennemgangsbreve . På lang sigt, de kunne være med til at forbedre mikroskopimetoder, som Talebi undersøger i sit ERC Starting Grant-projekt "NanoBeam" finansieret af European Research Council.

Den ultrahurtige elektronmikroskopi kombinerer elektronmikroskopi og laserteknologi. At have ultrahurtige elektronimpulser, dynamikken af ​​prøven kan studeres med femtosekund tidsmæssige opløsninger. Dette tillader også konklusioner om prøvens egenskaber. På grund af den videre udvikling af spektroskopiteknologi, det er nu muligt at studere ikke kun prøvernes atomare og elektroniske struktur, men også deres fotoniske excitationer, såsom plasmonpolaritoner.

For første gang skildrer simuleringen processen med interaktionerne som en film i realtid

Imidlertid, simuleringen af ​​sådanne elektron-lys-interaktioner er tidskrævende og kan kun udføres med højtydende computere. "Derfor, adiabatiske tilnærmelser og endimensionelle elektronmodeller bruges ofte, hvilket betyder, at elektronrekyl og amplitudemodulationer er blevet forsømt, " forklarer Nahid Talebi, Professor i nanooptik ved Institut for Eksperimentel og Anvendt Fysik (IEAP) og ekspert i simuleringer. For første gang, hendes nye simulering viser processen med elektron-lys-interaktioner som en film i realtid, beskriver de komplekse interaktioner til det højest mulige nøjagtige niveau.

I hendes værktøjskasse, hun har kombineret Maxwell og Schroedinger ligninger i en tidsafhængig løkke for fuldt ud at simulere vekselvirkningerne fra de første principper; derfor fastlægges det nye felt af elektron-lys-interaktioner ud over adiabatiske tilnærmelser. På grund af denne kombination, Talebi var i stand til at simulere, hvad der sker, når en elektron nærmer sig en nanostruktur af guld, der tidligere blev exciteret af en laser. Hendes simulering viser, hvordan energien, momentum, og generelt ændres formen af ​​elektronens bølgepakke for hvert øjeblik af interaktionen (fig. 1). På denne måde den fulde dynamik af interaktionen forårsaget af både enkelt-foton- og to-foton-processer fanges. Enkeltfoton-processer er vigtige for for eksempel at modellere elektronenergitab og -forstærkningskanaler, hvorimod to-foton processer er ansvarlige for modellering af de laser-inducerede elastiske kanaler, såsom diffraktionsfænomenet.

Især i hendes simulering, Talebi observerede et udtalt diffraktionsmønster, der stammer fra stærke vekselvirkninger mellem elektroner og fotoner baseret på Kapitza-Dirac-effekten (fig. 2). Dette diffraktionsmønster kan have lovende anvendelser i tidsopløst holografi, at optrevle ladningsbærerdynamik i faststof- og molekylære systemer.

Yderligere forbedring af spektroskopimetoder med ERC-projektet "NanoBeam"

"Vores værktøjskasse kan bruges til at benchmarke de mange tilnærmelser i teoretisk udvikling, inklusive eikonale tilnærmelser, forsømmer rekylen, og forsømmer to-foton processer." mener Talebi. "Selvom vi allerede har taget et stort skridt hen imod elektron-lys-interaktioner ud over adiabatiske tilnærmelser, der er stadig plads til yderligere udvikling." Sammen med hendes team, hun planlægger at inkludere et tredimensionelt Maxwell-Dirac-simuleringsdomæne til at modellere relativistiske og spin-interaktioner. Hun ønsker også bedre at forstå rollen af ​​udveksling og korrelationer under elektron-elektron-interaktioner.

Et andet mål med Talebi er at udnytte indsigten fra hendes teoretiske modellering til at foreslå nye metoder til sammenhængende kontrol og formning af prøveexcitationer ved hjælp af elektronstråler. Med sit projekt "NanoBeam" har hun til hensigt at udvikle en ny spektral interferometriteknik med evnen til at genfinde og kontrollere den spektrale fase i et scanningelektronmikroskop for at overvinde udfordringerne med at møde både nanometers rumlige og attosekundes tidsopløsning. Projektet er finansieret af en ERC-bevilling fra European Research Council med omkring 1,5 millioner euro.