電子顯微鏡具有小于百萬(wàn)分之一毫米的最大可能空間分辨率，因此有可能在原子水平上研究材料的特性，從而證明量子力學(xué)的領(lǐng)域。通過(guò)電子和光子之間的相互作用，可以很好地研究量子物理的基本原理。例如，在激光激發(fā)下，電子的能量，質(zhì)量或速度發(fā)生變化。

基爾大學(xué)實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用物理研究所的Nahid Talebi教授發(fā)明了一種新的工具箱，將電子-光相互作用的理論描述擴(kuò)展到盡可能高的精確水平。她將麥克斯韋(Maxwell)和薛定er(Schrödinger)方程組合在一個(gè)與時(shí)間有關(guān)的循環(huán)中，以完全模擬第一性原理的相互作用。Talebi的仿真使它首次在理論上精確地描述了超快速過(guò)程，并在不使用絕熱近似的情況下實(shí)時(shí)繪制了它們的地圖。最近，她在著名的《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表了她的研究結(jié)果。。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，由于Talebi正在研究由歐洲研究理事會(huì)資助的她的ERC起始資助項(xiàng)目“ NanoBeam”，因此它們可以幫助改善顯微鏡方法。

超快電子顯微鏡結(jié)合了電子顯微鏡和激光技術(shù)。具有超快的電子脈沖，可以用飛秒的時(shí)間分辨率研究樣品的動(dòng)力學(xué)。這也可以得出有關(guān)樣品性質(zhì)的結(jié)論。由于光譜技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，現(xiàn)在不僅可以研究樣品的原子和電子結(jié)構(gòu)，而且可以研究其光子激發(fā)，例如等離激元極化子。

模擬第一次將交互過(guò)程實(shí)時(shí)地描述為電影

然而，這種電子-光相互作用的模擬是費(fèi)時(shí)的，并且只能用高性能計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行。“因此，通常使用絕熱近似和一維電子模型，這意味著忽略了電子反沖和幅度調(diào)制，”實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用物理研究所(IEAP)的納米光學(xué)教授，模擬專家Nahid Talebi解釋說(shuō)。 。她的新模擬第一次將電子-光相互作用實(shí)時(shí)地顯示為膠片，并以盡可能高的精確度描述了復(fù)雜的相互作用。

在工具箱中，她將Maxwell和Schroedinger方程組合到一個(gè)與時(shí)間相關(guān)的循環(huán)中，以完全模擬第一性原理的相互作用。因此奠定了絕熱近似之外電子與光相互作用的新領(lǐng)域。由于這種結(jié)合，Talebi能夠模擬當(dāng)電子接近先前由激光激發(fā)的金的納米結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)生的情況。她的模擬顯示了在相互作用的每個(gè)時(shí)刻，電子的能量，動(dòng)量以及總體上電子波包的形狀是如何變化的(圖1)。以這種方式，捕獲了由單光子和雙光子過(guò)程引起的相互作用的全部動(dòng)力學(xué)。單光子過(guò)程非常重要，例如對(duì)于模擬電子能量損失和增益通道，

特別是在她的模擬中，塔萊比觀察到了明顯的衍射圖樣，該衍射圖樣是基于Kapitza-Dirac效應(yīng)(圖2)來(lái)自電子和光子之間的強(qiáng)相互作用。這種衍射圖樣在時(shí)間分辨全息中具有廣闊的應(yīng)用前景，可以揭示固態(tài)和分子系統(tǒng)的載流子動(dòng)力學(xué)。

通過(guò)ERC項(xiàng)目“ NanoBeam”進(jìn)一步改善光譜學(xué)方法

“我們的工具箱可用于對(duì)理論發(fā)展中的許多近似進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試，包括精確近似，忽略反沖力和忽略雙光子過(guò)程。” 塔利比認(rèn)為。“盡管我們已經(jīng)朝絕熱近似以外的方向邁出了一大步，但仍有進(jìn)一步發(fā)展的空間。” 她計(jì)劃與她的團(tuán)隊(duì)一起包括一個(gè)三維Maxwell-Dirac模擬域，以對(duì)相對(duì)論和自旋相互作用建模。她還希望更好地了解電子相互作用中交換和相關(guān)的作用。

Talebi的另一個(gè)目標(biāo)是利用她的理論模型得出的見解，為使用電子束對(duì)樣品激發(fā)進(jìn)行相干控制和整形提出新穎的方法。通過(guò)“ NanoBeam”項(xiàng)目，她打算開發(fā)一種新穎的光譜干涉技術(shù)，該技術(shù)具有在掃描電子顯微鏡中檢索和控制光譜相位的能力，以克服在滿足納米空間和亞秒級(jí)時(shí)間分辨率方面的挑戰(zhàn)。該項(xiàng)目由歐洲研究理事會(huì)的ERC資助約150萬(wàn)歐元。