Благодаря максимально возможному пространственному разрешению менее одной миллионной миллиметра электронные микроскопы позволяют изучать свойства материалов на атомном уровне и таким образом демонстрируют область квантовой механики. Квантово-физические основы могут быть изучены особенно хорошо с помощью взаимодействий между электронами и фотонами. Возбужденные лазерным светом, например, энергия, масса или скорость электронов изменяются. Профессор Нахид Талеби из Института экспериментальной и прикладной физики Кильского университета изобрел новый набор инструментов для расширения теоретического описания электронно-световых взаимодействий до максимально точного уровня. Она объединила уравнения Максвелла и Шредингера в цикл, зависящий от времени, чтобы полностью смоделировать взаимодействия из первых принципов. Моделирование Талеби впервые позволяет точно описать сверхбыстрые процессы в теории и отобразить их в режиме реального времени без использования адиабатического приближения. Недавно она представила свои результаты в журнале Physical Review Letters. В долгосрочной перспективе они могли бы помочь улучшить методы микроскопии, поскольку Талеби проводит исследования в рамках своего стартового грантового проекта ERC «NanoBeam», финансируемого Европейским исследовательским советом..
Сверхбыстрая электронная микроскопия сочетает в себе электронную микроскопию и лазерную технологию. Имея импульсы сверхбыстрых электронов, можно изучать динамику образца с фемтосекундным временным разрешением. Это также позволяет делать выводы о свойствах образца. Благодаря дальнейшему развитию технологии спектроскопии стало возможным изучать не только атомную и электронную структуру образцов, но и их фотонные возбуждения, такие как плазмон-поляритоны..
Впервые симуляция изображает процесс взаимодействия в виде фильма в реальном времени
Однако моделирование таких электронно-световых взаимодействий требует много времени и может быть выполнено только с помощью высокопроизводительных компьютеров. «Поэтому часто используются адиабатические приближения и одномерные модели электронов, а это означает, что отдачей электронов и модуляцией амплитуды пренебрегают», - объясняет Нахид Талеби, профессор нанооптики в Институте экспериментальной и прикладной физики (IEAP) и эксперт по моделированию.. Впервые ее новая симуляция показывает процесс электронно-световых взаимодействий в виде пленки в реальном времени, описывая сложные взаимодействия с максимально возможной точностью.
В своем наборе инструментов она объединила уравнения Максвелла и Шредингера в цикл, зависящий от времени, чтобы полностью смоделировать взаимодействия из первых принципов; тем самым устанавливая новую область электронно-световых взаимодействий за пределами адиабатических приближений. Благодаря этой комбинации Талеби смог смоделировать, что происходит, когда электрон приближается к наноструктуре золота, которая ранее возбуждалась лазером. Ее моделирование показывает, как энергия, импульс и вообще форма волнового пакета электрона изменяются в каждый момент взаимодействия. Таким образом, фиксируется полная динамика взаимодействия, вызванного как однофотонными, так и двухфотонными процессами. Однофотонные процессы важны, например, для моделирования каналов потери и усиления энергии электронов, тогда как двухфотонные процессы отвечают за моделирование индуцированных лазером упругих каналов, таких как явление дифракции..
В частности, в своем моделировании Талеби наблюдал ярко выраженную дифракционную картину, возникающую в результате сильного взаимодействия между электронами и фотонами на основе эффекта Капицы-Дирака. Эта дифракционная картина может найти многообещающее применение в голографии с временным разрешением, чтобы раскрыть динамику носителей заряда в твердотельных и молекулярных системах.
Дальнейшее совершенствование методов спектроскопии в рамках проекта ERC "NanoBeam"
"Наш набор инструментов можно использовать для оценки многих приближений в теоретических разработках, включая приближения эйконала, пренебрежение отдачей и пренебрежение двухфотонными процессами." Талеби думает. «Хотя мы уже сделали большой шаг к взаимодействию электронов со светом за пределами адиабатических приближений, еще есть место для дальнейшего развития». Вместе со своей командой она планирует включить область трехмерного моделирования Максвелла-Дирака для моделирования релятивистских и спиновых взаимодействий. Она также хочет лучше понять роль обмена и корреляций во время электрон-электронных взаимодействий.
Еще одна цель Талеби - использовать выводы из ее теоретического моделирования, чтобы предложить новые методологии когерентного управления и формирования возбуждения образца с помощью электронных лучей. В своем проекте «NanoBeam» она намеревается разработать новый метод спектральной интерферометрии с возможностью извлечения и управления спектральной фазой в сканирующем электронном микроскопе, чтобы преодолеть проблемы, связанные с пространственным разрешением нанометров и аттосекундным временным разрешением. Проект финансируется за счет гранта ERC от Европейского исследовательского совета в размере около 1,5 млн евро.
Это исследование финансировалось Европейским Союзом в рамках проекта «NanoBeam» в качестве «Стартового гранта ERC» Европейского исследовательского совета (ERC).