演示源于第一原理的电子 光相互作用的动力学

电子显微镜具有小于百万分之一毫米的最大可能空间分辨率，因此有可能在原子水平上研究材料的特性，从而证明量子力学的领域。通过电子和光子之间的相互作用，可以很好地研究量子物理的基本原理。例如，在激光激发下，电子的能量，质量或速度发生变化。

基尔大学实验与应用物理研究所的Nahid Talebi教授发明了一种新的工具箱，将电子-光相互作用的理论描述扩展到尽可能高的精确水平。她将麦克斯韦(Maxwell)和薛定er(Schrödinger)方程组合在一个与时间有关的循环中，以完全模拟第一性原理的相互作用。Talebi的仿真使它首次在理论上精确地描述了超快速过程，并在不使用绝热近似的情况下实时绘制了它们的地图。最近，她在著名的《物理评论快报》上发表了她的研究结果。。从长远来看，由于Talebi正在研究由欧洲研究理事会资助的她的ERC起始资助项目“ NanoBeam”，因此它们可以帮助改善显微镜方法。

超快电子显微镜结合了电子显微镜和激光技术。具有超快的电子脉冲，可以用飞秒的时间分辨率研究样品的动力学。这也可以得出有关样品性质的结论。由于光谱技术的进一步发展，现在不仅可以研究样品的原子和电子结构，而且可以研究其光子激发，例如等离激元极化子。

模拟第一次将交互过程实时地描述为电影

然而，这种电子-光相互作用的模拟是费时的，并且只能用高性能计算机来进行。“因此，通常使用绝热近似和一维电子模型，这意味着忽略了电子反冲和幅度调制，”实验和应用物理研究所(IEAP)的纳米光学教授，模拟专家Nahid Talebi解释说。 。她的新模拟第一次将电子-光相互作用实时地显示为胶片，并以尽可能高的精确度描述了复杂的相互作用。

在工具箱中，她将Maxwell和Schroedinger方程组合到一个与时间相关的循环中，以完全模拟第一性原理的相互作用。因此奠定了绝热近似之外电子与光相互作用的新领域。由于这种结合，Talebi能够模拟当电子接近先前由激光激发的金的纳米结构时发生的情况。她的模拟显示了在相互作用的每个时刻，电子的能量，动量以及总体上电子波包的形状是如何变化的(图1)。以这种方式，捕获了由单光子和双光子过程引起的相互作用的全部动力学。单光子过程非常重要，例如对于模拟电子能量损失和增益通道，

特别是在她的模拟中，塔莱比观察到了明显的衍射图样，该衍射图样是基于Kapitza-Dirac效应(图2)来自电子和光子之间的强相互作用。这种衍射图样在时间分辨全息中具有广阔的应用前景，可以揭示固态和分子系统的载流子动力学。

通过ERC项目“ NanoBeam”进一步改善光谱学方法

“我们的工具箱可用于对理论发展中的许多近似进行基准测试，包括精确近似，忽略反冲力和忽略双光子过程。” 塔利比认为。“尽管我们已经朝绝热近似以外的方向迈出了一大步，但仍有进一步发展的空间。” 她计划与她的团队一起包括一个三维Maxwell-Dirac模拟域，以对相对论和自旋相互作用建模。她还希望更好地了解电子相互作用中交换和相关的作用。

Talebi的另一个目标是利用她的理论模型得出的见解，为使用电子束对样品激发进行相干控制和整形提出新颖的方法。通过“ NanoBeam”项目，她打算开发一种新颖的光谱干涉技术，该技术具有在扫描电子显微镜中检索和控制光谱相位的能力，以克服在满足纳米空间和亚秒级时间分辨率方面的挑战。该项目由欧洲研究理事会的ERC资助约150万欧元。

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