基尔大学 电子波包在(a)实空间和(b)反(动量)空间中的轮廓
电磁场的标量和矢量势
信用:纳希德·塔莱比 电子显微镜具有不到百万分之一毫米的最高空间分辨率，使得在原子水平上研究材料的性质成为可能，从而展示了量子力学的领域
通过电子和光子之间的相互作用，可以特别好地研究量子物理基础
例如，在激光的激发下，电子的能量、质量或速度会发生变化
基尔大学实验和应用物理研究所的纳希德·塔莱比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可能的最高精确水平
她将麦克斯韦方程和薛定谔方程结合在一个与时间相关的回路中，从第一性原理出发来完全模拟相互作用
塔莱比的模拟首次允许它在理论上精确描述超快过程，并在不使用绝热近似的情况下实时映射它们
最近，她在著名杂志《物理评论快报》上发表了她的研究结果
从长远来看，它们有助于改进显微镜检查方法，因为塔莱比正在研究她由欧洲研究委员会资助的ERC启动基金项目“纳米束”
超快电子显微镜结合了电子显微镜和激光技术
有了超快电子脉冲，可以用飞秒时间分辨率研究样品的动力学
这也允许关于样品性质的结论
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，还可以研究它们的光子激发，如等离子激元
该模拟首次将交互过程实时描绘成电影 然而，这种电子-光-相互作用的模拟是费时的，只能用高性能的计算机来完成
“因此，绝热近似和一维电子模型经常被使用，这意味着电子反冲和振幅调制被忽略了，”IEAP实验和应用物理研究所纳米光学教授、模拟专家纳希德·塔莱比解释道
她的新模拟首次将电子-光相互作用的过程实时显示为一张胶片，尽可能准确地描述了复杂的相互作用
能量和角度分辨的电子能量增益图显示了明显的衍射图案
信用:纳希德·塔莱比 在她的工具箱中，她将麦克斯韦方程和薛定谔方程结合在一个与时间相关的回路中，从第一性原理出发，充分模拟相互作用；因此奠定了超越绝热近似的电子-光相互作用的新领域
由于这种组合，塔莱比能够模拟当电子接近之前由激光激发的金纳米结构时会发生什么
她的模拟显示了电子的能量、动量以及通常的波包形状在相互作用的每个时刻是如何变化的(图
1)
这样，由单光子和双光子过程引起的相互作用的全部动力学被捕获
例如，单光子过程对于模拟电子能量损失和增益通道很重要，而双光子过程负责模拟激光诱导的弹性通道，如衍射现象
特别是在她的模拟中，塔莱比观察到了一个明显的衍射图案，它源于基于卡皮扎-狄拉克效应的电子和光子之间的强相互作用(图
2)
这种衍射图样在时间分辨全息照相术中有很好的应用前景，可以揭示固态和分子系统的电荷载流子动力学
利用ERC项目“纳米束”进一步改进光谱学方法 “我们的工具箱可以用来衡量理论发展中的许多近似，包括环境近似、忽略反冲和忽略双光子过程
”塔莱比认为
“尽管我们已经朝着超越绝热近似的电子-光相互作用迈出了一大步，但仍有进一步发展的空间
“和她的团队一起，她计划包括一个三维麦克斯韦-狄拉克模拟域来模拟相对论和自旋相互作用
她还想更好地理解电子-电子相互作用中交换和关联的作用
塔莱比的另一个目的是利用她理论模型中的见解，提出用电子束对样品激发进行相干控制和整形的新方法
通过她的“纳米光束”项目，她打算开发一种新的光谱干涉测量技术，能够在扫描电子显微镜中检索和控制光谱相位，以克服在满足纳米空间和阿秒时间分辨率方面的挑战
该项目由欧洲研究理事会的ERC基金资助，约有1
500万欧元
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