Med högsta möjliga rumsliga upplösning på mindre än en miljondels millimeter, elektronmikroskop gör det möjligt att studera materialegenskaper på atomnivå och på så sätt demonstrera kvantmekanikens område. Kvantfysikaliska grunder kan studeras särskilt väl genom växelverkan mellan elektroner och fotoner. Upphetsad med laserljus, till exempel, energin, elektronernas massa eller hastighet förändras.

Professor Nahid Talebi från Institutet för experimentell och tillämpad fysik vid Kiel University har uppfunnit en ny verktygslåda för att utöka den teoretiska beskrivningen av elektron-ljusinteraktioner till högsta möjliga exakta nivå. Hon har kombinerat Maxwell och Schrödinger ekvationer i en tidsberoende loop för att helt simulera interaktionerna från första principer. Talebis simulering gör att den för första gången kan beskriva ultrasnabba processer exakt i teorin och kartlägga dem i realtid utan att använda adiabatisk approximation. Nyligen, hon presenterade sina resultat i den berömda tidskriften Fysiska granskningsbrev . I längden, de skulle kunna hjälpa till att förbättra mikroskopimetoder som Talebi undersöker i sitt ERC Starting Grant-projekt "NanoBeam" finansierat av Europeiska forskningsrådet.

Den ultrasnabba elektronmikroskopin kombinerar elektronmikroskopi och laserteknik. Att ha ultrasnabba elektronpulser, dynamiken i provet kan studeras med femtosekunds tidsupplösningar. Detta möjliggör också slutsatser om provets egenskaper. På grund av den fortsatta utvecklingen av spektroskopiteknik, det är nu möjligt att studera inte bara atomära och elektroniska strukturer hos proverna utan även deras fotoniska excitationer, såsom plasmonpolaritoner.

För första gången skildrar simuleringen processen för interaktionerna som en film i realtid

Dock, simuleringen av sådana elektron-ljus-interaktioner är tidskrävande och kan endast utföras med högpresterande datorer. "Därför, adiabatiska approximationer och endimensionella elektronmodeller används ofta, vilket betyder att elektronrekyl och amplitudmodulationer har försummats, " förklarar Nahid Talebi, Professor i nanooptik vid Institutet för experimentell och tillämpad fysik (IEAP) och expert på simuleringar. För första gången, hennes nya simulering visar processen för elektron-ljusinteraktioner som en film i realtid, beskriver de komplexa interaktionerna till högsta möjliga exakta nivå.

I hennes verktygslåda, hon har kombinerat Maxwells och Schroedingers ekvationer i en tidsberoende loop för att helt simulera interaktionerna från första principer; därför fastställs det nya fältet för elektron-ljusinteraktioner bortom adiabatiska approximationer. På grund av denna kombination, Talebi kunde simulera vad som händer när en elektron närmar sig en nanostruktur av guld som tidigare exciterades av en laser. Hennes simulering visar hur energin, Momentum, och i allmänhet ändras formen på elektronens vågpaket för varje ögonblick av interaktionen (Fig.1). På det här sättet, den fulla dynamiken i interaktionen som orsakas av både enfoton- och tvåfotonprocesser fångas. Enfotonprocesser är viktiga för att till exempel modellera elektronenergiförlust- och -förstärkningskanaler, medan två-fotonprocesser är ansvariga för modellering av de laserinducerade elastiska kanalerna, såsom diffraktionsfenomenet.

Särskilt i hennes simulering, Talebi observerade ett uttalat diffraktionsmönster som härrör från starka interaktioner mellan elektroner och fotoner baserat på Kapitza-Dirac-effekten (Fig. 2). Detta diffraktionsmönster kan ha lovande tillämpningar i tidsupplöst holografi, att reda ut laddningsbärardynamiken hos fasta tillstånd och molekylära system.

Ytterligare förbättring av spektroskopimetoder med ERC-projektet "NanoBeam"

"Vår verktygslåda kan användas för att jämföra de många approximationerna i teoretisk utveckling, inklusive eikonala uppskattningar, försummar rekylen, och försummar två-fotonprocesser." tycker Talebi. "Även om vi redan har tagit ett stort steg mot elektron-ljusinteraktioner bortom adiabatiska approximationer, det finns fortfarande utrymme för ytterligare utveckling." Tillsammans med sitt team, hon planerar att inkludera en tredimensionell Maxwell-Dirac-simuleringsdomän för att modellera relativistiska och spinninteraktioner. Hon vill också bättre förstå rollen av utbyte och korrelationer under elektron-elektron-interaktioner.

Ett annat syfte med Talebi är att använda insikterna från hennes teoretiska modellering för att föreslå nya metoder för koherent kontroll och formning av provexcitationerna med hjälp av elektronstrålar. Med sitt projekt "NanoBeam" avser hon att utveckla en ny spektral interferometriteknik med förmågan att hämta och kontrollera den spektrala fasen i ett svepelektronmikroskop för att övervinna utmaningarna med att möta både nanometers rumsliga och attosekundes tidsupplösning. Projektet finansieras av ett ERC-anslag från European Research Council med cirka 1,5 miljoner euro.