德科學家精確模擬電子與光相互作用 相關研究發表在《物理評論快報》上

近日，德國基爾大學發布公告稱，該校實驗和應用物理研究所(IEAP)的納希德·塔勒比教授成功開發出一種新方法，可以盡可能精確地描述電子與光之間的相互作用。這一理論模型將有助于開發新的光譜干涉儀。相關研究發表在《物理評論快報》上。

超快電子顯微鏡能以飛秒的時間分辨率研究樣品的動力學，加上先進光譜技術，現在不僅可以研究樣品的原子和電子結構，還可以研究其光子激發，如等離激元極化子。然而，這種電子與光相互作用的模擬計算量非常大，只能用高性能計算機來進行，而且通常使用絕熱近似和一維電子模型，這意味著忽略了電子反沖和幅度調制。

現在，納米光學和模擬專家納希德·塔勒比教授發明了一種新的工具箱，將麥克斯韋和薛定鄂方程組合在一個與時間有關的循環中，以完全模擬第一性原理的相互作用。這種模擬首次在理論上精確描述了超快速過程，并在不使用絕熱近似的情況下將電子與光相互作用實時地顯示為圖像。

由此，研究團隊可以在絕熱近似之外模擬電子與光相互作用，能夠模擬當電子接近由激光激發的金納米結構時發生的情況。模擬顯示了相互作用時，電子的能量、動量以及總體上電子波包的形狀是如何變化的。以這種方式，捕獲了由單光子和雙光子過程引起的相互作用的全部動力學。模擬中，還可以觀察到明顯的衍射圖樣，該衍射圖樣是基于卡皮查—狄拉克效應(KDE)的電子和光子之間的強相互作用。這種衍射圖樣具有廣闊的應用前景，可以揭示固態和分子系統的載流子動力學。

塔勒比教授說：“我們的工具箱可用于對理論發展中的許多近似進行基準測試，包括精確近似，忽略反沖力和忽略雙光子過程。”盡管已經朝絕熱近似以外的方向邁出了一大步，塔勒比教授認為她們的研究仍有進一步發展的空間。她計劃與團隊一起研究三維麥克斯韋—狄拉克( Maxwell-Dirac)模擬域，并更好地了解電子相互作用。此外，利用其理論模型得出的見解，塔勒比教授希望開發一種新的光譜干涉技術，能在掃描電子顯微鏡中檢索和控制光譜相位。(記者李山)