La nueva caja de herramientas para la nanoóptica permite la descripción teórica con el mayor nivel de precisión posible
El físico demuestra la dinámica de la interacción electrón-luz originada en el primer principio
Con la mayor resolución espacial posible de menos de una millonésima de milímetro, los microscopios electrónicos permiten estudiar las propiedades de los materiales a nivel atómico y demostrar así el reino de la mecánica cuántica. Los fundamentos de la física cuántica pueden estudiarse especialmente bien mediante las interacciones entre los electrones y los fotones. Al ser excitados por la luz láser, por ejemplo, la energía, la masa o la velocidad de los electrones cambia.
Mapa de ganancia de energía de electrones con resolución de energía y ángulo que demuestra un patrón de difracción pronunciado.
© Nahid Talebi
La profesora 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 exacto posible. Ha combinado las ecuaciones de Maxwell y Schrödinger en un bucle dependiente del tiempo para simular plenamente las interacciones de los primeros principios. La simulación de Talebi le permite por primera vez describir procesos ultrarrápidos con precisión en la teoría y cartografiarlos en tiempo real sin utilizar la aproximación adiabática. Recientemente, presentó sus resultados en la revista Physical Review Letters. A largo plazo, podrían ayudar a mejorar los métodos de microscopía ya que Talebi está investigando en su proyecto "NanoBeam", financiado por el Consejo Europeo de Investigación.
La microscopía electrónica ultrarrápida combina la microscopía electrónica y la tecnología láser. Al disponer de pulsos electrónicos ultrarrápidos, la dinámica de la muestra puede estudiarse con resoluciones temporales de femtosegundos. Esto también permite sacar conclusiones sobre las propiedades de la muestra. Gracias al desarrollo ulterior de la tecnología de la espectroscopia, ahora es posible estudiar no sólo la estructura atómica y electrónica de las muestras, sino también sus excitaciones fotónicas, como los polaritones del plasmón.
Por primera vez la simulación representa el proceso de las interacciones como una película en tiempo real
Sin embargo, la simulación de esas interacciones electrón-luz lleva mucho tiempo y sólo puede realizarse 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 las modulaciones del retroceso de los electrones y de la amplitud", explica Nahid Talebi, Profesor de Nanoóptica del 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 complejas interacciones con la mayor precisión posible.
En su caja de herramientas, ha combinado las ecuaciones de Maxwell y Schrödinger en un bucle dependiente del tiempo para simular plenamente las interacciones de los primeros principios; estableciendo así el nuevo campo de las interacciones electrón-luz más allá de las aproximaciones adiabáticas. Gracias a esta combinación, Talebi fue capaz de simular lo que sucede cuando un electrón se aproxima a una nanoestructura de oro que previamente fue excitada por un láser. Su simulación muestra cómo la energía, el momento y, en general, la forma del paquete de ondas del electrón cambian en cada momento de la interacción. De esta manera, se captura toda la dinámica 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 se encargan de modelar los canales elásticos inducidos por el láser, como el fenómeno de difracción.
Particularmente en su simulación, Talebi observó un pronunciado patrón de difracción que se origina en las fuertes interacciones entre los electrones y los fotones basadas en el efecto Kapitza-Dirac. Este patrón de difracción puede tener aplicaciones prometedoras en la holografía resuelta en el tiempo, para desentrañar la dinámica de los portadores de carga de los sistemas de estado sólido y moleculares.
Mejorando aún más los métodos de espectroscopia con el proyecto "NanoBeam" del ERC
"Nuestra caja de herramientas puede ser usada para comparar las muchas aproximaciones en los desarrollos teóricos, incluyendo las aproximaciones eikonales, descuidando el retroceso y descuidando los procesos de dos fotones". Talebi piensa. "Aunque ya hemos dado un gran paso hacia las interacciones electrón-luz más allá de las aproximaciones adiabáticas, todavía hay espacio para más desarrollos." Junto con su equipo, planea incluir un dominio de simulación tridimensional Maxwell-Dirac para modelar interacciones relativistas y de giro. También quiere entender mejor el papel del intercambio y las correlaciones durante las interacciones electrón-electrón.
Otro objetivo de Talebi es utilizar los conocimientos de su modelización teórica para proponer nuevas metodologías para el control coherente y la conformación de las excitaciones de la muestra mediante haces de electrones. Con su proyecto "NanoBeam" se propone 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 las dificultades que plantea la resolución espacial y temporal de los nanómetros. El proyecto está financiado por una subvención del Consejo Europeo de Investigación con alrededor de 1,5 millones de euros.
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