Il profilo del pacchetto d'onda elettronico in (a) spazio reale e (b) spazio reciproco (impulso). (c) Potenziali scalari e (d) vettore del campo elettromagnetico. Credito:Nahid Talebi
Con la massima risoluzione spaziale possibile inferiore a un milionesimo di millimetro, i microscopi elettronici consentono di studiare le proprietà dei materiali a livello atomico e dimostrare così il regno della meccanica quantistica. I fondamenti quanto-fisici possono essere studiati particolarmente bene dalle interazioni tra elettroni e fotoni. Eccitato con luce laser, Per esempio, l'energia, la massa o la velocità degli elettroni cambia.
Il professor Nahid Talebi dell'Istituto di fisica sperimentale e applicata dell'Università di Kiel ha inventato una nuova cassetta degli attrezzi per estendere la descrizione teorica delle interazioni luce-elettrone al livello più accurato possibile. Ha combinato le equazioni di Maxwell e Schrödinger in un ciclo dipendente dal tempo per simulare completamente le interazioni dai primi principi. La simulazione di Talebi consente per la prima volta di descrivere con precisione in teoria processi ultraveloci e di mapparli in tempo reale senza utilizzare l'approssimazione adiabatica. Recentemente, ha presentato i suoi risultati sulla rinomata rivista Lettere di revisione fisica . A lungo termine, potrebbero aiutare a migliorare i metodi di microscopia, come sta studiando Talebi nel suo progetto ERC Starting Grant "NanoBeam" finanziato dal Consiglio europeo della ricerca.
La microscopia elettronica ultraveloce combina la microscopia elettronica e la tecnologia laser. Avere impulsi di elettroni ultraveloci, la dinamica del campione può essere studiata con risoluzioni temporali a femtosecondi. Ciò consente anche di trarre conclusioni sulle proprietà del campione. A causa dell'ulteriore sviluppo della tecnologia spettroscopica, è ora possibile studiare non solo la struttura atomica ed elettronica dei campioni ma anche le loro eccitazioni fotoniche, come i polaritoni plasmonici.
Per la prima volta la simulazione descrive il processo delle interazioni come un film in tempo reale
Però, la simulazione di tali interazioni elettrone-luce richiede tempo e può essere eseguita solo con computer ad alte prestazioni. "Perciò, vengono spesso utilizzate approssimazioni adiabatiche e modelli elettronici unidimensionali, il che significa che il rinculo elettronico e le modulazioni di ampiezza sono state trascurate, " spiega Nahid Talebi, Professore di Nanoottica presso l'Istituto di Fisica Sperimentale e Applicata (IEAP) ed esperto di simulazioni. Per la prima volta, la sua nuova simulazione mostra il processo delle interazioni elettrone-luce come un film in tempo reale, descrivere le interazioni complesse al livello più accurato possibile.
Mappa del guadagno energetico dell'elettrone risolta in angolo e dell'energia che dimostra un modello di diffrazione pronunciato. Credito:Nahid Talebi
Nella sua cassetta degli attrezzi, ha combinato le equazioni di Maxwell e Schroedinger in un ciclo dipendente dal tempo per simulare completamente le interazioni dai principi primi; ponendo quindi il nuovo campo delle interazioni elettrone-luce al di là delle approssimazioni adiabatiche. A causa di questa combinazione, Talebi è stato in grado di simulare ciò che accade quando un elettrone si avvicina a una nanostruttura d'oro precedentemente eccitata da un laser. La sua simulazione mostra come l'energia, quantità di moto, e in generale la forma del pacchetto d'onda dell'elettrone cambia per ogni momento dell'interazione (Fig.1). In questo modo, viene catturata l'intera dinamica dell'interazione causata da processi sia a singolo fotone che a due fotoni. I processi a singolo fotone sono importanti, ad esempio, per modellare i canali di perdita e guadagno di energia degli elettroni, mentre i processi a due fotoni sono responsabili della modellazione dei canali elastici indotti dal laser come il fenomeno della diffrazione.
In particolare nella sua simulazione, Talebi ha osservato un modello di diffrazione pronunciato che ha origine da forti interazioni tra elettroni e fotoni basati sull'effetto Kapitza-Dirac (Fig. 2). Questo modello di diffrazione può avere applicazioni promettenti nell'olografia risolta nel tempo, per svelare la dinamica dei portatori di carica dei sistemi allo stato solido e molecolari.
Migliorare ulteriormente i metodi di spettroscopia con il progetto ERC "NanoBeam"
"La nostra cassetta degli attrezzi può essere utilizzata per confrontare le molte approssimazioni negli sviluppi teorici, comprese le approssimazioni di icone, trascurando il rinculo, e trascurando i processi a due fotoni". Talebi pensa. "Anche se abbiamo già fatto un grande passo avanti verso le interazioni elettrone-luce al di là delle approssimazioni adiabatiche, c'è ancora spazio per ulteriori sviluppi." Insieme al suo team, intende includere un dominio di simulazione tridimensionale Maxwell-Dirac per modellare le interazioni relativistiche e di spin. Vuole anche capire meglio il ruolo dello scambio e delle correlazioni durante le interazioni elettrone-elettrone.
Un altro scopo di Talebi è utilizzare le intuizioni della sua modellazione teorica per proporre nuove metodologie per il controllo coerente e la modellazione delle eccitazioni del campione utilizzando fasci di elettroni. Con il suo progetto "NanoBeam" intende sviluppare una nuova tecnica di interferometria spettrale con la capacità di recuperare e controllare la fase spettrale in un microscopio elettronico a scansione per superare le sfide nel soddisfare sia la risoluzione spaziale dei nanometri che quella temporale degli attosecondi. Il progetto è finanziato da un finanziamento ERC del Consiglio Europeo della Ricerca con circa 1,5 milioni di euro.
