近日，德國(guó)基爾大學(xué)發(fā)布公告稱，該校實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用物理研究所（IEAP）的納希德·塔勒比教授成功開(kāi)發(fā)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(kāi)發(fā)新的光譜干涉儀。相關(guān)研究發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

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超快電子顯微鏡能以飛秒的時(shí)間分辨率研究樣品的動(dòng)力學(xué)，加上先進(jìn)光譜技術(shù)，現(xiàn)在不僅可以研究樣品的原子和電子結(jié)構(gòu)，還可以研究其光子激發(fā)，如等離激元極化子。然而，這種電子與光相互作用的模擬計(jì)算量非常大，只能用高性能計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)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(diào)制。

現(xiàn)在，納米光學(xué)和模擬專家納希德·塔勒比教授發(fā)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(gè)與時(shí)間有關(guān)的循環(huán)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(guò)程，并在不使用絕熱近似的情況下將電子與光相互作用實(shí)時(shí)地顯示為圖像。

由此，研究團(tuán)隊(duì)可以在絕熱近似之外模擬電子與光相互作用，能夠模擬當(dāng)電子接近由激光激發(fā)的金納米結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)生的情況。模擬顯示了相互作用時(shí)，電子的能量、動(dòng)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(guò)程引起的相互作用的全部動(dòng)力學(xué)。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(yīng)（KDE）的電子和光子之間的強(qiáng)相互作用。這種衍射圖樣具有廣闊的應(yīng)用前景，可以揭示固態(tài)和分子系統(tǒng)的載流子動(dòng)力學(xué)。

塔勒比教授說(shuō)：“我們的工具箱可用于對(duì)理論發(fā)展中的許多近似進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試，包括精確近似，忽略反沖力和忽略雙光子過(guò)程。”盡管已經(jīng)朝絕熱近似以外的方向邁出了一大步，塔勒比教授認(rèn)為她們的研究仍有進(jìn)一步發(fā)展的空間。她計(jì)劃與團(tuán)隊(duì)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(jiàn)解，塔勒比教授希望開(kāi)發(fā)一種新的光譜干涉技術(shù)，能在掃描電子顯微鏡中檢索和控制光譜相位。

（原標(biāo)題：德科學(xué)家精確模擬電子與光相互作用）