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德科学家精确模拟电子与光相互作用

2020-09-04 00:00 来源:科技日报

  近日,德国基尔大学发布公告称,该校实验和应用物理研究所(IEAP)的纳希德·塔勒比教授成功开发出一种新方法,可以尽可能精确地描述电子与光之间的相互作用。这一理论模型将有助于开发新的光谱干涉仪。相关研究发表在《物理评论快报》上。

  超快电子显微镜能以飞秒的时间分辨率研究样品的动力学,加上先进光谱技术,现在不仅可以研究样品的原子和电子结构,还可以研究其光子激发,如等离激元极化子。然而,这种电子与光相互作用的模拟计算量非常大,只能用高性能计算机来进行,而且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。

  现在,纳米光学和模拟专家纳希德·塔勒比教授发明了一种新的工具箱,将麦克斯韦和薛定鄂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。这种模拟首次在理论上精确描述了超快速过程,并在不使用绝热近似的情况下将电子与光相互作用实时地显示为图像。

  由此,研究团队可以在绝热近似之外模拟电子与光相互作用,能够模拟当电子接近由激光激发的金纳米结构时发生的情况。模拟显示了相互作用时,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。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。模拟中,还可以观察到明显的衍射图样,该衍射图样是基于卡皮查—狄拉克效应(KDE)的电子和光子之间的强相互作用。这种衍射图样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。

  塔勒比教授说:“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。”尽管已经朝绝热近似以外的方向迈出了一大步,塔勒比教授认为她们的研究仍有进一步发展的空间。她计划与团队一起研究三维麦克斯韦—狄拉克( Maxwell-Dirac)模拟域,并更好地了解电子相互作用。此外,利用其理论模型得出的见解,塔勒比教授希望开发一种新的光谱干涉技术,能在扫描电子显微镜中检索和控制光谱相位。

(责任编辑:王蔚)

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