Le profil du paquet d'ondes d'électrons dans (a) l'espace réel et (b) l'espace réciproque (impulsion). (c) Potentiels scalaires et (d) vectoriels du champ électromagnétique. Crédit :Nahid Talebi
Avec la résolution spatiale la plus élevée possible de moins d'un millionième de millimètre, les microscopes électroniques permettent d'étudier les propriétés des matériaux au niveau atomique et mettent ainsi en évidence le domaine de la mécanique quantique. Les fondamentaux de la physique quantique peuvent être particulièrement bien étudiés par les interactions entre électrons et photons. Excité par la lumière laser, par exemple, l'énergie, la masse ou la vitesse des électrons change.
Le professeur Nahid Talebi de l'Institut de physique expérimentale et appliquée de l'Université de Kiel a inventé une nouvelle boîte à outils pour étendre la description théorique des interactions électron-lumière au niveau de précision le plus élevé possible. Elle a combiné les équations de Maxwell et de Schrödinger dans une boucle dépendante du temps pour simuler pleinement les interactions à partir des premiers principes. La simulation de Talebi lui permet pour la première fois de décrire précisément en théorie des processus ultra-rapides et de les cartographier en temps réel sans recourir à l'approximation adiabatique. Récemment, elle a présenté ses résultats dans la célèbre revue Lettres d'examen physique . À long terme, ils pourraient aider à améliorer les méthodes de microscopie comme Talebi étudie dans son projet ERC Starting Grant "NanoBeam" financé par le Conseil européen de la recherche.
La microscopie électronique ultrarapide combine la microscopie électronique et la technologie laser. Avoir des impulsions électroniques ultrarapides, la dynamique de l'échantillon peut être étudiée avec des résolutions temporelles femtosecondes. Cela permet également de tirer des conclusions sur les propriétés de l'échantillon. En raison du développement ultérieur de la technologie de spectroscopie, il est désormais possible d'étudier non seulement la structure atomique et électronique des échantillons mais aussi leurs excitations photoniques, tels que les polaritons plasmoniques.
Pour la première fois, la simulation décrit le processus des interactions sous forme de film en temps réel
Cependant, la simulation de telles interactions électron-lumière prend du temps et ne peut être réalisée qu'avec des ordinateurs hautes performances. "Par conséquent, les approximations adiabatiques et les modèles électroniques à une dimension sont souvent utilisés, ce qui signifie que le recul des électrons et les modulations d'amplitude ont été négligés, " explique Nahid Talebi, Professeur de nanooptique à l'Institut de physique expérimentale et appliquée (IEAP) et expert en simulations. Pour la première fois, sa nouvelle simulation montre le processus des interactions électron-lumière sous forme de film en temps réel, décrivant les interactions complexes au niveau de précision le plus élevé possible.
Carte de gain d'énergie des électrons à résolution angulaire et énergétique démontrant un motif de diffraction prononcé. Crédit :Nahid Talebi
Dans sa boîte à outils, elle a combiné les équations de Maxwell et de Schroedinger dans une boucle dépendante du temps pour simuler pleinement les interactions à partir des premiers principes; établissant ainsi le nouveau domaine des interactions électron-lumière au-delà des approximations adiabatiques. Grâce à cette combinaison, Talebi a pu simuler ce qui se passe lorsqu'un électron s'approche d'une nanostructure d'or qui était auparavant excitée par un laser. Sa simulation montre comment l'énergie, élan, et en général la forme du paquet d'ondes de l'électron change à chaque instant de l'interaction (Fig.1). De cette façon, la dynamique complète de l'interaction causée par les processus à photon unique et à deux photons est capturée. Les processus à photon unique sont importants par exemple pour modéliser les canaux de perte et de gain d'énergie des électrons, tandis que les processus à deux photons sont responsables de la modélisation des canaux élastiques induits par laser tels que le phénomène de diffraction.
Particulièrement dans sa simulation, Talebi a observé un motif de diffraction prononcé qui provient d'interactions fortes entre les électrons et les photons basées sur l'effet Kapitza-Dirac (Fig. 2). Ce motif de diffraction peut avoir des applications prometteuses en holographie résolue en temps, pour démêler la dynamique des porteurs de charge des systèmes à l'état solide et moléculaire.
Améliorer encore les méthodes de spectroscopie avec le projet ERC "NanoBeam"
"Notre boîte à outils permet de benchmarker les nombreuses approximations des développements théoriques, y compris les approximations eikonales, négliger le recul, et en négligeant les processus à deux photons. » pense Talebi. « Bien que nous ayons déjà fait un grand pas vers les interactions électron-lumière au-delà des approximations adiabatiques, il y a encore de la place pour d'autres développements." Avec son équipe, elle prévoit d'inclure un domaine de simulation Maxwell-Dirac en trois dimensions pour modéliser les interactions relativistes et de spin. Elle souhaite également mieux comprendre le rôle des échanges et des corrélations lors des interactions électron-électron.
Un autre objectif de Talebi est d'utiliser les connaissances de sa modélisation théorique pour proposer de nouvelles méthodologies pour un contrôle et une mise en forme cohérents des excitations d'échantillons à l'aide de faisceaux d'électrons. Avec son projet "NanoBeam", elle a l'intention de développer une nouvelle technique d'interférométrie spectrale avec la capacité de récupérer et de contrôler la phase spectrale dans un microscope électronique à balayage pour surmonter les défis liés à la résolution spatiale des nanomètres et attoseconde. Le projet est financé par une subvention ERC du Conseil européen de la recherche avec environ 1,5 million d'euros.
