Met de hoogst mogelijke ruimtelijke resolutie van minder dan een miljoenste millimeter, elektronenmicroscopen maken het mogelijk om de eigenschappen van materialen op atomair niveau te bestuderen en zo het rijk van de kwantummechanica te demonstreren. Kwantumfysische grondbeginselen kunnen bijzonder goed worden bestudeerd door de interacties tussen elektronen en fotonen. Opgewonden met laserlicht, bijvoorbeeld, de energie, massa of snelheid van de elektronen verandert.

Professor Nahid Talebi van het Instituut voor Experimentele en Toegepaste Natuurkunde aan de Kiel University heeft een nieuwe gereedschapskist uitgevonden om de theoretische beschrijving van elektron-licht-interacties uit te breiden tot het hoogst mogelijke nauwkeurige niveau. Ze heeft de Maxwell- en Schrödinger-vergelijkingen gecombineerd in een tijdsafhankelijke lus om de interacties van de eerste principes volledig te simuleren. Met Talebi's simulatie kan het voor het eerst ultrasnelle processen in theorie precies beschrijven en in realtime in kaart brengen zonder gebruik te maken van adiabatische benadering. Onlangs, ze presenteerde haar resultaten in het gerenommeerde tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven . Op de lange termijn, ze zouden kunnen helpen bij het verbeteren van microscopiemethoden, zoals Talebi onderzoekt in haar ERC Starting Grant-project "NanoBeam", gefinancierd door de European Research Council.

De ultrasnelle elektronenmicroscopie combineert elektronenmicroscopie en lasertechnologie. Met ultrasnelle elektronenpulsen, de dynamiek van het monster kan worden bestudeerd met femtoseconde temporele resoluties. Hierdoor kunnen ook conclusies worden getrokken over de eigenschappen van het monster. Door de verdere ontwikkeling van de spectroscopietechnologie, het is nu mogelijk om niet alleen de atomaire en elektronische structuur van de monsters te bestuderen, maar ook hun fotonische excitaties, zoals plasmonpolaritonen.

Voor het eerst toont de simulatie het proces van de interacties als een film in realtime

Echter, de simulatie van dergelijke elektron-licht-interacties is tijdrovend en kan alleen worden uitgevoerd met krachtige computers. "Daarom, adiabatische benaderingen en eendimensionale elektronenmodellen worden vaak gebruikt, wat betekent dat elektronenterugslag en amplitudemodulaties zijn verwaarloosd, " legt Nahid Talebi uit, Hoogleraar Nanooptics aan het Institute of Experimental and Applied Physics (IEAP) en expert in simulaties. Voor de eerste keer, haar nieuwe simulatie toont het proces van de elektron-licht-interacties als een film in realtime, het beschrijven van de complexe interacties op het hoogst mogelijke niveau.

In haar gereedschapskist ze heeft Maxwell- en Schroedinger-vergelijkingen gecombineerd in een tijdsafhankelijke lus om de interacties van de eerste principes volledig te simuleren; daarom wordt het nieuwe veld van elektron-licht-interacties vastgelegd die verder gaan dan adiabatische benaderingen. Door deze combinatie is Talebi kon simuleren wat er gebeurt als een elektron een nanostructuur van goud nadert die eerder door een laser werd geëxciteerd. Haar simulatie laat zien hoe de energie, momentum, en in het algemeen verandert de vorm van het golfpakket van het elektron voor elk moment van de interactie (Fig.1). Op deze manier, de volledige dynamiek van de interactie veroorzaakt door zowel enkel-foton als twee-foton processen wordt vastgelegd. Single-photon processen zijn bijvoorbeeld belangrijk voor het modelleren van elektronen energieverlies- en -versterkingskanalen, terwijl twee-fotonprocessen verantwoordelijk zijn voor het modelleren van de laser-geïnduceerde elastische kanalen zoals het diffractiefenomeen.

Vooral in haar simulatie, Talebi nam een ​​uitgesproken diffractiepatroon waar dat voortkomt uit sterke interacties tussen elektronen en fotonen op basis van het Kapitza-Dirac-effect (Fig. 2). Dit diffractiepatroon kan veelbelovende toepassingen hebben in tijdsopgeloste holografie, om de dynamiek van ladingsdragers van solid-state en moleculaire systemen te ontrafelen.

Verdere verbetering van spectroscopiemethoden met ERC-project "NanoBeam"

"Onze toolbox kan worden gebruikt om de vele benaderingen in theoretische ontwikkelingen te benchmarken, inclusief eikonale benaderingen, het negeren van de terugslag, en het verwaarlozen van twee-fotonprocessen.', denkt Talebi. 'Hoewel we al een grote stap hebben gezet in de richting van elektron-licht-interacties die verder gaan dan adiabatische benaderingen, er is nog ruimte voor verdere ontwikkelingen." Samen met haar team, ze is van plan een driedimensionaal Maxwell-Dirac-simulatiedomein op te nemen om relativistische en spin-interacties te modelleren. Ook wil ze de rol van uitwisseling en correlaties tijdens elektron-elektron interacties beter begrijpen.

Een ander doel van Talebi is om de inzichten uit haar theoretische modellering te gebruiken om nieuwe methodologieën voor te stellen voor coherente controle en vormgeving van de monsterexcitaties met behulp van elektronenstralen. Met haar project "NanoBeam" wil ze een nieuwe spectrale interferometrietechniek ontwikkelen met de mogelijkheid om de spectrale fase in een scanning-elektronenmicroscoop op te halen en te controleren om de uitdagingen te overwinnen bij het voldoen aan zowel de ruimtelijke als de attoseconde-tijdresolutie van nanometers. Het project wordt gefinancierd door een ERC-subsidie ​​van de European Research Council met ongeveer 1,5 miljoen euro.