El perfil del paquete de ondas de electrones en (a) el espacio real y (b) el espacio recíproco (momento). (c) Escalares y (d) potenciales vectoriales del campo electromagnético. Crédito:Nahid Talebi
Con la resolución espacial más alta posible de menos de una millonésima de milímetro, Los microscopios electrónicos permiten estudiar las propiedades de los materiales a nivel atómico y así demostrar el ámbito de la mecánica cuántica. Los fundamentos de la física cuántica se pueden estudiar particularmente bien mediante las interacciones entre electrones y fotones. Emocionado con la luz láser, por ejemplo, la energía, la masa o la velocidad de los electrones cambia.
El profesor Nahid Talebi del Instituto de Física Experimental y Aplicada de la Universidad de Kiel ha inventado una nueva caja de herramientas para ampliar la descripción teórica de las interacciones electrón-luz al nivel más preciso posible. Ha combinado las ecuaciones de Maxwell y Schrödinger en un ciclo dependiente del tiempo para simular completamente las interacciones desde los primeros principios. La simulación de Talebi le permite por primera vez describir procesos ultrarrápidos con precisión en teoría y mapearlos en tiempo real sin utilizar la aproximación adiabática. Recientemente, presentó sus resultados en la reconocida revista Cartas de revisión física . A largo plazo, podrían ayudar a mejorar los métodos de microscopía, ya que Talebi está investigando en su proyecto ERC Starting Grant "NanoBeam" financiado por el Consejo Europeo de Investigación.
La microscopía electrónica ultrarrápida combina la microscopía electrónica y la tecnología láser. Tener pulsos de electrones ultrarrápidos, la dinámica de la muestra se puede estudiar con resoluciones temporales de femtosegundos. Esto también permite sacar conclusiones sobre las propiedades de la muestra. Debido al mayor desarrollo de la tecnología de espectroscopia, ahora es posible estudiar no solo la estructura atómica y electrónica de las muestras, sino también sus excitaciones fotónicas, como polaritones de plasmón.
Por primera vez, la simulación muestra el proceso de las interacciones como una película en tiempo real.
Sin embargo, La simulación de tales interacciones luz-electrones requiere mucho tiempo y solo se puede realizar con computadoras de alto rendimiento. "Por lo tanto, A menudo se utilizan aproximaciones adiabáticas y modelos de electrones unidimensionales, lo que significa que se han descuidado el retroceso de electrones y las modulaciones de amplitud, "explica Nahid Talebi, Catedrático de Nanoóptica en el Instituto de Física Experimental y Aplicada (IEAP) y experto en simulaciones. Por primera vez, su nueva simulación muestra el proceso de las interacciones electrón-luz como una película en tiempo real, describiendo las interacciones complejas al nivel más preciso posible.
Mapa de ganancia de energía de electrones con resolución de ángulo y energía que muestra un patrón de difracción pronunciado. Crédito:Nahid Talebi
En su caja de herramientas ha combinado las ecuaciones de Maxwell y Schroedinger en un ciclo dependiente del tiempo para simular completamente las interacciones de los primeros principios; por lo tanto, establece el nuevo campo de interacciones electrón-luz más allá de las aproximaciones adiabáticas. Debido a esta combinación, Talebi pudo simular lo que sucede cuando un electrón se acerca a una nanoestructura de oro que previamente fue excitada por un láser. Su simulación muestra cómo la energía, impulso, y, en general, la forma del paquete de ondas del electrón cambia para cada momento de la interacción (figura 1). De este modo, Se captura la dinámica completa de la interacción causada por los procesos de un solo fotón y de dos fotones. Los procesos de fotón único son importantes, por ejemplo, para modelar canales de pérdida y ganancia de energía de electrones, mientras que los procesos de dos fotones son responsables de modelar los canales elásticos inducidos por láser, como el fenómeno de difracción.
Particularmente en su simulación, Talebi observó un patrón de difracción pronunciado que se origina a partir de fuertes interacciones entre electrones y fotones basados en el efecto Kapitza-Dirac (Fig. 2). Este patrón de difracción puede tener aplicaciones prometedoras en holografía resuelta en el tiempo, para desentrañar la dinámica de los portadores de carga de los sistemas moleculares y de estado sólido.
Mejorar aún más los métodos de espectroscopia con el proyecto ERC "NanoBeam"
"Nuestra caja de herramientas se puede utilizar para comparar las muchas aproximaciones en desarrollos teóricos, incluyendo aproximaciones eikonales, descuidando el retroceso, y descuidar los procesos de dos fotones ". Piensa Talebi." Aunque ya hemos dado un gran paso hacia las interacciones electrón-luz más allá de las aproximaciones adiabáticas, todavía hay espacio para nuevos desarrollos ". Junto con su equipo, planea incluir un dominio de simulación de Maxwell-Dirac tridimensional para modelar interacciones relativistas y de espín. También quiere comprender mejor el papel del intercambio y las correlaciones durante las interacciones electrón-electrón.
Otro objetivo de Talebi es utilizar los conocimientos de su modelado teórico para proponer metodologías novedosas para el control coherente y la conformación de las excitaciones de la muestra utilizando haces de electrones. Con su proyecto "NanoBeam", tiene la intención de desarrollar una nueva técnica de interferometría espectral con la capacidad de recuperar y controlar la fase espectral en un microscopio electrónico de barrido para superar los desafíos de cumplir con la resolución espacial de nanómetros y de tiempo de attosegundos. El proyecto está financiado por una beca ERC del European Research Council con aproximadamente 1,5 millones de euros.
