Com a maior resolução espacial possível de menos de um milionésimo de milímetro, microscópios eletrônicos tornam possível estudar as propriedades dos materiais em nível atômico e, assim, demonstrar o domínio da mecânica quântica. Os fundamentos físicos quânticos podem ser estudados particularmente bem pelas interações entre elétrons e fótons. Animado com luz laser, por exemplo, a energia, a massa ou velocidade dos elétrons muda.

O professor Nahid Talebi, do Instituto de Física Experimental e Aplicada da Universidade de Kiel, inventou uma nova caixa de ferramentas para estender a descrição teórica das interações elétron-luz ao nível mais preciso possível. Ela combinou as equações de Maxwell e Schrödinger em um loop dependente do tempo para simular totalmente as interações a partir dos primeiros princípios. A simulação de Talebi permite pela primeira vez descrever processos ultrarrápidos precisamente em teoria e mapeá-los em tempo real sem usar aproximação adiabática. Recentemente, ela apresentou seus resultados no renomado jornal Cartas de revisão física . A longo prazo, eles poderiam ajudar a melhorar os métodos de microscopia enquanto Talebi está investigando em seu projeto ERC Starting Grant "NanoBeam", financiado pelo European Research Council.

A microscopia eletrônica ultrarrápida combina microscopia eletrônica e tecnologia a laser. Tendo pulsos de elétrons ultrarrápidos, a dinâmica da amostra pode ser estudada com resoluções temporais de femtossegundos. Isso também permite conclusões sobre as propriedades da amostra. Devido ao desenvolvimento da tecnologia de espectroscopia, agora é possível estudar não só a estrutura atômica e eletrônica das amostras, mas também suas excitações fotônicas, como polaritons de plasmon.

Pela primeira vez, a simulação retrata o processo das interações como um filme em tempo real

Contudo, a simulação de tais interações elétron-luz é demorada e só pode ser realizada com computadores de alto desempenho. "Portanto, aproximações adiabáticas e modelos de elétrons unidimensionais são frequentemente usados, o que significa que o recuo do elétron e as modulações de amplitude foram negligenciadas, "explica Nahid Talebi, Professor de Nanoótica do Instituto de Física Experimental e Aplicada (IEAP) e especialista em simulações. Pela primeira vez, sua nova simulação mostra o processo das interações elétron-luz como um filme em tempo real, descrevendo as interações complexas com o nível mais preciso possível.

Em sua caixa de ferramentas, ela combinou as equações de Maxwell e Schroedinger em um loop dependente do tempo para simular totalmente as interações a partir dos primeiros princípios; portanto, estabelecendo o novo campo de interações elétron-luz além das aproximações adiabáticas. Devido a esta combinação, Talebi foi capaz de simular o que acontece quando um elétron se aproxima de uma nanoestrutura de ouro que foi previamente excitada por um laser. Sua simulação mostra como a energia, impulso, e em geral a forma do pacote de ondas do elétron muda para cada momento da interação (Fig.1). Desta maneira, toda a dinâmica da interação causada por processos de fóton único e dois fótons é capturada. Processos de fóton único são importantes, por exemplo, para modelar canais de ganho e perda de energia de elétrons, enquanto os processos de dois fótons são responsáveis ​​por modelar os canais elásticos induzidos por laser, como o fenômeno de difração.

Particularmente em sua simulação, Talebi observou um padrão de difração pronunciado que se origina de fortes interações entre elétrons e fótons com base no efeito Kapitza-Dirac (Fig. 2). Este padrão de difração pode ter aplicações promissoras em holografia resolvida no tempo, para desvendar a dinâmica dos portadores de carga de sistemas de estado sólido e moleculares.

Melhorar ainda mais os métodos de espectroscopia com o projeto ERC "NanoBeam"

"Nossa caixa de ferramentas pode ser usada para avaliar as muitas aproximações em desenvolvimentos teóricos, incluindo aproximações eikonais, negligenciando o recuo, e negligenciar os processos de dois fótons. "Talebi pensa." Embora já tenhamos dado um grande passo em direção às interações elétron-luz além das aproximações adiabáticas, ainda há espaço para novos desenvolvimentos. "Junto com sua equipe, ela planeja incluir um domínio de simulação tridimensional de Maxwell-Dirac para modelar interações relativísticas e de spin. Ela também quer entender melhor o papel da troca e das correlações durante as interações elétron-elétrons.

Outro objetivo de Talebi é utilizar os insights de sua modelagem teórica para propor novas metodologias para controle coerente e modelagem das excitações de amostra usando feixes de elétrons. Com seu projeto "NanoBeam", ela pretende desenvolver uma nova técnica de interferometria espectral com a capacidade de recuperar e controlar a fase espectral em um microscópio eletrônico de varredura para superar os desafios de atender a resolução espacial de nanômetros e attossegundo. O projeto é financiado por uma bolsa ERC do Conselho Europeu de Pesquisa com cerca de 1,5 milhões de euros.