Автор AZoNano 25 ноября 2020 г.

Физики из Университета Констанца, Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене (LMU, Мюнхен) и Университета Регенсбурга успешно продемонстрировали, что ультракороткие электронные импульсы испытывают квантово-механический фазовый сдвиг из-за их взаимодействия со световыми волнами в нанофотонных материалах. , что может раскрыть функциональность наноматериалов. Соответствующие эксперименты и результаты представлены в последнем выпуске журнала Science Advances.

Нанофотонные материалы и метаматериалы

Многие материалы, встречающиеся в природе, могут влиять на электромагнитные волны, такие как свет, самыми разными способами. Однако для создания новых оптических эффектов с целью разработки особо эффективных солнечных элементов, маскирующих устройств или катализаторов часто требуются искусственные структуры, так называемые метаматериалы.

Эти материалы достигают своих экстраординарных свойств за счет сложной структуры на наномасштабе, то есть за счет сеткообразного расположения мельчайших строительных блоков на масштабах, значительно меньших длины волны возбуждения.

Определение характеристик и разработка таких метаматериалов требует глубокого понимания того, как падающие световые волны ведут себя, когда они попадают в эти крошечные структуры, и как они взаимодействуют с ними.

Следовательно, оптически возбужденные наноструктуры и их электромагнитные ближние поля должны быть измерены с пространственным разрешением в диапазоне нанометров (~ 10-9 м) и, в то же время, с временным разрешением ниже продолжительности цикла возбуждения. (~ 10-15 с). Однако этого нельзя достичь только с помощью обычной световой микроскопии.

Сверхбыстрая электронная дифракция на оптически возбужденных наноструктурах

В отличие от света, электроны имеют массу покоя и поэтому обеспечивают в 100000 раз лучшее пространственное разрешение, чем фотоны. Кроме того, электроны можно использовать для исследования электромагнитных полей и потенциалов из-за их заряда.

Группе под руководством профессора Питера Баума (Университет Констанца) теперь удалось применить чрезвычайно короткие электронные импульсы для достижения таких измерений.

С этой целью длительность электронных импульсов была сжата во времени с помощью терагерцового излучения до такой степени, что исследователи смогли детально разрешить оптические колебания электромагнитных ближних полей в наноструктурах.

Высокое пространственное и временное разрешение

" Задача, связанная с этим экспериментом, заключается в том, чтобы обеспечить достаточно высокое разрешение как в пространстве, так и во времени. Чтобы избежать эффектов пространственного заряда, мы используем только отдельные электроны за импульс и ускоряем эти электроны до энергии 75 килоэлектрон вольт »– объясняет профессор Питер Баум, последний автор исследования и руководитель рабочей группы по свету и материи на кафедре физики Констанцкого университета.

Рассеиваясь наноструктурами, эти чрезвычайно короткие электронные импульсы интерферируют сами с собой из-за своих квантово-механических свойств и создают дифракционное изображение образца.

Взаимодействие с электромагнитными полями и потенциалами

Исследование наноструктур с оптическим возбуждением основано на известном принципе экспериментов с накачкой и зондом. После оптического возбуждения ближних полей ультракороткий электронный импульс приходит в определенный момент времени и измеряет замороженные во времени поля в пространстве и времени.

«Согласно предсказаниям Ааронова и Бома, электроны испытывают квантово-механический фазовый сдвиг своей волновой функции при прохождении через электромагнитные потенциалы», объясняет Катрин Мохлер, докторант LMU в Мюнхене и впервые автор исследования.

Эти оптически индуцированные фазовые сдвиги предоставляют информацию о сверхбыстрой динамике света в наноструктурах, в конечном итоге создавая похожую на фильм последовательность изображений, которая показывает взаимодействие света с наноструктурами.

Новый режим приложения для электронной голографии и дифракции

Эти эксперименты иллюстрируют, как электронная голография и дифракция могут быть использованы в будущем для улучшения нашего понимания фундаментальных взаимодействий света и вещества, лежащих в основе нанофотонных материалов и метаматериалов. В долгосрочной перспективе это может даже привести к разработке и оптимизации компактной оптики, новых солнечных элементов или эффективных катализаторов.

Факты

• Физикам из Университета Констанца, Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене и Университета Регенсбурга удалось наблюдать метаматериалы в реальном времени с помощью сверхбыстрой дифракции электронов.
• Эксперименты, проведенные профессором Питером Баумом из Университета Констанца, демонстрируют, что ультракороткие электронные импульсы испытывают квантово-механический фазовый сдвиг из-за их взаимодействия со световыми волнами в нанофотонных материалах.
• Это может раскрыть функциональность наноматериалов.
• Улучшение понимания нанофотонных материалов и метаматериалов за счет новых режимов применения для электронной голографии и дифракции.
• Оригинальная публикация: К. Дж. Молер, Д. Эбергер, И. Гронвальд, К. Ланге, Р. Хубер и П. Баум, Сверхбыстрая дифракция электронов на нанофотонных волновых формах через динамические фазы Ааронова-Бома, Science Advances, 20 ноября 2020 г. URL: https://advances.sciencemag.org/content/6/47/eabc8804

Источник: https://www.uni-konstanz.de/en/