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 bienpor las interacciones entre electrones y fotones. Emocionado con la luz láser, por ejemplo, la energía, masa o 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 losdescripción 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 precisiónen teoría y mapearlos en tiempo real sin utilizar la aproximación adiabática. Recientemente, preenvió sus resultados en la 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. Al tener pulsos electrónicos 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 espectroscópica, ahora es posible estudiar no solo la estructura atómica y electrónica de las muestras, sino también sus excitaciones fotónicas, como los 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 entre luz y electrones requiere mucho tiempo y solo se puede realizar con computadoras de alto rendimiento ". Por lo tanto, las aproximaciones adiabáticas y los modelos de electrones unidimensionales se utilizan a menudo, lo que significa que el retroceso y la amplitud de los electronesLas modulaciones se han descuidado ", explica Nahid Talebi, profesora de nanoóptica en el Instituto de Física Experimental y Aplicada IEAP y experta en simulaciones. Por primera vez, su nueva simulación muestra el proceso de las interacciones electrón-luz como una películaen tiempo real, describiendo las interacciones complejas con el mayor nivel de precisión posible.
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 fuecapaz de simular lo que sucede cuando un electrón se acerca a una nanoestructura de oro previamente excitada por un láser, su simulación muestra cómo la energía, el momento y en general la forma del paquete de ondas del electrón cambian para cada momento de la interacción.De esta manera, se captura la dinámica completa de la interacción causada por los procesos de un solo fotón y de dos fotones. Los procesos de un solo fotón son importantes, por ejemplo, para modelar los canales de pérdida y ganancia de energía de los electrones, mientras que los procesos de dos fotones son los responsables.para 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 interacciones fuertes entre electrones y fotones basadas en el efecto Kapitza-Dirac. Este patrón de difracción puede tener aplicaciones prometedoras en holografía resuelta en el tiempo, para desentrañar la dinámica del portador de carga desistemas de estado sólido y moleculares.
Mejora adicional de los métodos de espectroscopia con el proyecto ERC "NanoBeam"
"Nuestra caja de herramientas se puede utilizar para comparar las muchas aproximaciones en los desarrollos teóricos, incluidas las aproximaciones eikonales, descuidando el retroceso y descuidando los procesos de dos fotones", piensa Talebi. "Aunque ya hemos dado un gran paso hacia las interacciones electrón-luzmás allá de las aproximaciones adiabáticas, todavía hay espacio para nuevos desarrollos ". Junto con su equipo, planea incluir un dominio de simulación tridimensional de Maxwell-Dirac para modelar interacciones relativistas y de espín. También quiere comprender mejor el papel del intercambio y las correlacionesdurante 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 configuración de las excitaciones de la muestra mediante haces de electrones. Con su proyecto "NanoBeam", pretende desarrollar una técnica novedosa de interferometría espectral con la capacidadpara recuperar y controlar la fase espectral en un microscopio electrónico de barrido para superar los desafíos en el cumplimiento de la resolución espacial tanto en nanómetros como en tiempo de attosegundos. El proyecto está financiado por una beca ERC del Consejo Europeo de Investigación con aproximadamente 1,5 millones de euros.
Este estudio fue financiado por la Unión Europea como parte del proyecto "NanoBeam" como "ERC Starting Grant" del European Research Council ERC.
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Materiales proporcionado por Universidad de Kiel . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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