Фотонно-индуцированная электронная микроскопия ближнего поля

Фотонно-индуцированная электронная микроскопия ближнего поля ( PINEM ) представляет собой вариант метода сверхбыстрой просвечивающей электронной микроскопии и основана на неупругом взаимодействии между электронами и фотонами в присутствии поверхности или наноструктуры. ^[1] Этот метод позволяет исследовать изменяющиеся во времени наноразмерные электромагнитные поля в электронном микроскопе. ^[2]^[3]

Для видимого света такая неупругая связь между электронами и светом, т. е. прямое поглощение или испускание фотонов, запрещена в свободном пространстве (вакууме), поскольку невозможно одновременно сохранить и энергию, и импульс. Это ограничение можно обойти, если импульс фотона увеличивается в результате отражения или рассеяния света от поверхности или наноструктуры. Этот процесс затем будет генерировать исчезающе ограниченные ближние поля с широким распределением импульсов, достигая высокой интенсивности в наноограниченном пространстве и, таким образом, также увеличивая поперечное сечение электронно-световой связи.

Теоретически аналитическое описание этого явления было предоставлено Парком и др., ^[4] Гарсиа де Абахо и др. ^[5] и Файст и др. ^[6]В этих работах авторы продемонстрировали, что сила взаимодействия электрона со светом зависит от линейной связи с проекцией электрического поля вдоль направления распространения электрона. В частности, Файст и др. ^[6] также экспериментально продемонстрировал, что процесс взаимодействия приводит к когерентному спектральному перераспределению электронного волнового пакета, вызывая колебания Раби многоуровневой квантовой лестницы, в которой состояния разделены энергией фотона.

Особенно привлекательным для приложений фотоники является тот факт, что спектральные, пространственные и импульсные распределения электронов, подвергнутых такому процессу неупругого рассеяния, строго коррелируют с распределением ближнего поля, опосредующим взаимодействие электронов и света. Таким образом, последние можно картировать в пространстве и времени с помощью методов сверхбыстрой электронной микроскопии, получая фемтосекундные фильмы наноразмерных полей внутри и вокруг наноструктур. ^[7]^[8]^[9]

Что еще более интересно, метод PINEM также можно использовать для динамического управления волновыми свойствами электронного луча с использованием соответствующим образом подготовленной конфигурации электромагнитного поля. Таким образом можно когерентно модулировать амплитуду и фазу электронного пучка как в продольном, так и в поперечном направлениях. ^[6]^[10]^[11]^[12]^[13]^[14]^[15]

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

^ Барвик, Бретт; Фланниган, Дэвид Дж.; Зеваил, Ахмед Х. (декабрь 2009 г.). «Фотонно-индуцированная ближнепольная электронная микроскопия» . Природа . 462 (7275): 902–906. Бибкод : 2009Natur.462..902B . дои : 10.1038/nature08662 . eISSN 1476-4687 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 20016598 . S2CID 4423704 .
^ Пьяцца, Л; Люммен, ТТА; Киньонес, Э; Мурока, Ю; Рид, BW; Барвик, Б; Карбоне, Ф (2 марта 2015 г.). «Одновременное наблюдение квантования и интерференционной картины плазмонного ближнего поля» . Природные коммуникации . 6 (1): 6407. Бибкод : 2015NatCo...6.6407P . дои : 10.1038/ncomms7407 . eISSN 2041-1723 . ПМЦ 4366487 . ПМИД 25728197 .
^ Барвик, Бретт; Зеваил, Ахмед Х. (21 октября 2015 г.). «Фотоника и плазмоника в 4D сверхбыстрой электронной микроскопии» . АСУ Фотоника . 2 (10): 1391–1402. doi : 10.1021/acsphotonics.5b00427 . ISSN 2330-4022 .
^ СТ Парк; М. Лин; А. Х. Зеваил (декабрь 2010 г.). «Фотонно-индуцированная электронная микроскопия ближнего поля (PINEM): теоретическая и экспериментальная» . Новый журнал физики . 12 (12): 123028. Бибкод : 2010NJPh...12l3028P . дои : 10.1088/1367-2630/12/12/123028 . S2CID 9985483 .
^ Ф. Х. Гарсиа де Абахо; А. Асенхо-Гарсия; М. Коцяк (апрель 2010 г.). «Многофотонное поглощение и излучение при взаимодействии быстрых электронов с исчезающими световыми полями» . Нано-буквы . 10 (5): 1859–1863. Бибкод : 2010NanoL..10.1859G . дои : 10.1021/nl100613s . ПМИД 20415459 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с А. Файст; К.Е. Эхтернкамп; Й. Шаусс; С.В. Ялунин; С. Шефер; К. Роперс (май 2015 г.). «Квантовая когерентная оптическая фазовая модуляция в сверхбыстром просвечивающем электронном микроскопе» . Природа . 521 (7551): 200–203. Бибкод : 2015Natur.521..200F . дои : 10.1038/nature14463 . ПМИД 25971512 . S2CID 4447578 .
^ И. Мадан; ГМ Ванакор; Э. Помарико; Дж. Берруто; Р. Дж. Лэмб; Д. МакГрутер; ТТА Люммен; Т. Латычевская; Ф. Х. Гарсиа де Абахо; Ф. Карбоне (май 2019 г.). «Голографическое изображение электромагнитных полей посредством квантовой интерференции электронов и света» . Достижения науки . 5 (5): eaav8358. arXiv : 1809.10576 . Бибкод : 2019SciA....5.8358M . дои : 10.1126/sciadv.aav8358 . ПМК 6499551 . ПМИД 31058225 .
^ Ван, Канпэн; Дахан, Рафаэль; Шентцис, Майкл; Кауфманн, Ярон; Бен Хаюн, Ади; Рейнхардт, Ори; Цессес, Шай; Каминер, Идо (04.06.2020). «Когерентное взаимодействие свободных электронов с фотонным резонатором» . Природа . 582 (7810): 50–54. arXiv : 1908.06206 . Бибкод : 2020Natur.582...50W . дои : 10.1038/s41586-020-2321-x . ISSN 0028-0836 . ПМИД 32494081 . S2CID 219281767 .
^ Кфир, Офер; Лоренсо-Мартинс, Уго; Сторек, Геро; Сивис, Мюрат; Харви, Тайлер Р.; Киппенберг, Тобиас Дж.; Файст, Армин; Роперс, Клаус (04 июня 2020 г.). «Управление свободными электронами с помощью оптических мод шепчущей галереи» . Природа . 582 (7810): 46–49. arXiv : 1910.09540 . Бибкод : 2020Природа.582...46К . дои : 10.1038/s41586-020-2320-y . ISSN 0028-0836 . ПМИД 32494079 . S2CID 204823876 .
^ Моримото, Юя; Баум, Питер (27 ноября 2017 г.). «Дифракция и микроскопия с аттосекундными сериями электронных импульсов» . Физика природы . 14 (3): 252–256. дои : 10.1038/s41567-017-0007-6 . eISSN 1745-2481 . ISSN 1745-2473 . S2CID 125210956 .
^ Козак, М.; Экстайн, Т.; Шёненбергер, Н.; Хоммельхофф, П. (9 октября 2017 г.). «Неупругое пондеромоторное рассеяние электронов на высокоинтенсивной оптической бегущей волне в вакууме». Физика природы . 14 (2): 121–125. arXiv : 1905.05240 . дои : 10.1038/nphys4282 . eISSN 1745-2481 . ISSN 1745-2473 . S2CID 126006282 .
^ Прибе, Катарина Э.; Ратье, Кристофер; Ялунин Сергей Владимирович; Хохаге, Торстен; Файст, Армин; Шефер, Саша; Роперс, Клаус (декабрь 2017 г.). «Аттосекундные последовательности электронных импульсов и реконструкция квантового состояния в сверхбыстрой просвечивающей электронной микроскопии» . Природная фотоника . 11 (12): 793–797. arXiv : 1706.03680 . Бибкод : 2017NaPho..11..793P . дои : 10.1038/s41566-017-0045-8 . ISSN 1749-4885 . S2CID 119105731 .
^ Ванакор, генеральный директор; Мадан, И.; Берруто, Дж.; Ван, К.; Помарико, Э.; Лэмб, Р.Дж.; МакГрутер, Д.; Каминер, И.; Барвик, Б.; Гарсиа де Абахо, Ф. Хавьер; Карбоне, Ф. (12 июля 2018 г.). «Аттосекундное когерентное управление волновыми функциями свободных электронов с помощью полубесконечных световых полей» . Природные коммуникации . 9 (1): 2694. arXiv : 1712.08441 . Бибкод : 2018NatCo...9.2694V . дои : 10.1038/s41467-018-05021-x . eISSN 2041-1723 . ПМК 6043599 . ПМИД 30002367 .
^ К.Е. Эхтернкамп; А. Файст; С. Шефер; К. Роперс (август 2016 г.). «Фазовое управление пучками свободных электронов по типу Рамсея» . Физика природы . 12 (11): 1000–1004. arXiv : 1605.00534 . Бибкод : 2016NatPh..12.1000E . дои : 10.1038/NPHYS3844 . S2CID 119214197 .
^ ГМ Ванакор; Дж. Берруто; И. Мадан; Э. Помарико; П. Бьяджони; Р. Дж. Лэмб; Д. МакГрутер; О. Рейнхардт; И. Каминер; Б. Барвик; Х. Ларок; В. Грилло; Э. Карими; Ф. Х. Гарсиа де Абахо; Ф. Карбоне (май 2019 г.). «Сверхбыстрая генерация и управление электронным вихревым пучком посредством киральных плазмонных ближних полей» . Природные материалы . 18 (6): 573–579. arXiv : 1806.00366 . Бибкод : 2019NatMa..18..573В . дои : 10.1038/s41563-019-0336-1 . ПМИД 31061485 . S2CID 119186105 .

[BarwickFlanniganZewail2009-1] Барвик, Бретт; Фланниган, Дэвид Дж.; Зеваил, Ахмед Х. (декабрь 2009 г.). «Фотонно-индуцированная ближнепольная электронная микроскопия» . Природа . 462 (7275): 902–906. Бибкод : 2009Natur.462..902B . дои : 10.1038/nature08662 . eISSN 1476-4687 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 20016598 . S2CID 4423704 .

[PiazzaLummenQuiñonez2015-2] Пьяцца, Л; Люммен, ТТА; Киньонес, Э; Мурока, Ю; Рид, BW; Барвик, Б; Карбоне, Ф (2 марта 2015 г.). «Одновременное наблюдение квантования и интерференционной картины плазмонного ближнего поля» . Природные коммуникации . 6 (1): 6407. Бибкод : 2015NatCo...6.6407P . дои : 10.1038/ncomms7407 . eISSN 2041-1723 . ПМЦ 4366487 . ПМИД 25728197 .

[3] Барвик, Бретт; Зеваил, Ахмед Х. (21 октября 2015 г.). «Фотоника и плазмоника в 4D сверхбыстрой электронной микроскопии» . АСУ Фотоника . 2 (10): 1391–1402. doi : 10.1021/acsphotonics.5b00427 . ISSN 2330-4022 .

[4] СТ Парк; М. Лин; А. Х. Зеваил (декабрь 2010 г.). «Фотонно-индуцированная электронная микроскопия ближнего поля (PINEM): теоретическая и экспериментальная» . Новый журнал физики . 12 (12): 123028. Бибкод : 2010NJPh...12l3028P . дои : 10.1088/1367-2630/12/12/123028 . S2CID 9985483 .

[5] Ф. Х. Гарсиа де Абахо; А. Асенхо-Гарсия; М. Коцяк (апрель 2010 г.). «Многофотонное поглощение и излучение при взаимодействии быстрых электронов с исчезающими световыми полями» . Нано-буквы . 10 (5): 1859–1863. Бибкод : 2010NanoL..10.1859G . дои : 10.1021/nl100613s . ПМИД 20415459 .

[Feist2015-6] Перейти обратно: ^а ^б ^с А. Файст; К.Е. Эхтернкамп; Й. Шаусс; С.В. Ялунин; С. Шефер; К. Роперс (май 2015 г.). «Квантовая когерентная оптическая фазовая модуляция в сверхбыстром просвечивающем электронном микроскопе» . Природа . 521 (7551): 200–203. Бибкод : 2015Natur.521..200F . дои : 10.1038/nature14463 . ПМИД 25971512 . S2CID 4447578 .

[7] И. Мадан; ГМ Ванакор; Э. Помарико; Дж. Берруто; Р. Дж. Лэмб; Д. МакГрутер; ТТА Люммен; Т. Латычевская; Ф. Х. Гарсиа де Абахо; Ф. Карбоне (май 2019 г.). «Голографическое изображение электромагнитных полей посредством квантовой интерференции электронов и света» . Достижения науки . 5 (5): eaav8358. arXiv : 1809.10576 . Бибкод : 2019SciA....5.8358M . дои : 10.1126/sciadv.aav8358 . ПМК 6499551 . ПМИД 31058225 .

[8] Ван, Канпэн; Дахан, Рафаэль; Шентцис, Майкл; Кауфманн, Ярон; Бен Хаюн, Ади; Рейнхардт, Ори; Цессес, Шай; Каминер, Идо (04.06.2020). «Когерентное взаимодействие свободных электронов с фотонным резонатором» . Природа . 582 (7810): 50–54. arXiv : 1908.06206 . Бибкод : 2020Natur.582...50W . дои : 10.1038/s41586-020-2321-x . ISSN 0028-0836 . ПМИД 32494081 . S2CID 219281767 .

[9] Кфир, Офер; Лоренсо-Мартинс, Уго; Сторек, Геро; Сивис, Мюрат; Харви, Тайлер Р.; Киппенберг, Тобиас Дж.; Файст, Армин; Роперс, Клаус (04 июня 2020 г.). «Управление свободными электронами с помощью оптических мод шепчущей галереи» . Природа . 582 (7810): 46–49. arXiv : 1910.09540 . Бибкод : 2020Природа.582...46К . дои : 10.1038/s41586-020-2320-y . ISSN 0028-0836 . ПМИД 32494079 . S2CID 204823876 .

[MorimotoBaum2017-10] Моримото, Юя; Баум, Питер (27 ноября 2017 г.). «Дифракция и микроскопия с аттосекундными сериями электронных импульсов» . Физика природы . 14 (3): 252–256. дои : 10.1038/s41567-017-0007-6 . eISSN 1745-2481 . ISSN 1745-2473 . S2CID 125210956 .

[KozákEcksteinSchönenberger2017-11] Козак, М.; Экстайн, Т.; Шёненбергер, Н.; Хоммельхофф, П. (9 октября 2017 г.). «Неупругое пондеромоторное рассеяние электронов на высокоинтенсивной оптической бегущей волне в вакууме». Физика природы . 14 (2): 121–125. arXiv : 1905.05240 . дои : 10.1038/nphys4282 . eISSN 1745-2481 . ISSN 1745-2473 . S2CID 126006282 .

[12] Прибе, Катарина Э.; Ратье, Кристофер; Ялунин Сергей Владимирович; Хохаге, Торстен; Файст, Армин; Шефер, Саша; Роперс, Клаус (декабрь 2017 г.). «Аттосекундные последовательности электронных импульсов и реконструкция квантового состояния в сверхбыстрой просвечивающей электронной микроскопии» . Природная фотоника . 11 (12): 793–797. arXiv : 1706.03680 . Бибкод : 2017NaPho..11..793P . дои : 10.1038/s41566-017-0045-8 . ISSN 1749-4885 . S2CID 119105731 .

[VanacoreMadanBerruto2018-13] Ванакор, генеральный директор; Мадан, И.; Берруто, Дж.; Ван, К.; Помарико, Э.; Лэмб, Р.Дж.; МакГрутер, Д.; Каминер, И.; Барвик, Б.; Гарсиа де Абахо, Ф. Хавьер; Карбоне, Ф. (12 июля 2018 г.). «Аттосекундное когерентное управление волновыми функциями свободных электронов с помощью полубесконечных световых полей» . Природные коммуникации . 9 (1): 2694. arXiv : 1712.08441 . Бибкод : 2018NatCo...9.2694V . дои : 10.1038/s41467-018-05021-x . eISSN 2041-1723 . ПМК 6043599 . ПМИД 30002367 .

[14] К.Е. Эхтернкамп; А. Файст; С. Шефер; К. Роперс (август 2016 г.). «Фазовое управление пучками свободных электронов по типу Рамсея» . Физика природы . 12 (11): 1000–1004. arXiv : 1605.00534 . Бибкод : 2016NatPh..12.1000E . дои : 10.1038/NPHYS3844 . S2CID 119214197 .

[15] ГМ Ванакор; Дж. Берруто; И. Мадан; Э. Помарико; П. Бьяджони; Р. Дж. Лэмб; Д. МакГрутер; О. Рейнхардт; И. Каминер; Б. Барвик; Х. Ларок; В. Грилло; Э. Карими; Ф. Х. Гарсиа де Абахо; Ф. Карбоне (май 2019 г.). «Сверхбыстрая генерация и управление электронным вихревым пучком посредством киральных плазмонных ближних полей» . Природные материалы . 18 (6): 573–579. arXiv : 1806.00366 . Бибкод : 2019NatMa..18..573В . дои : 10.1038/s41563-019-0336-1 . ПМИД 31061485 . S2CID 119186105 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]