光激发纳米结构的超快电子衍射

康斯坦茨大学、慕尼黑大学、雷根斯堡大学的物理科学家们成功证实，超短电子脉冲在与纳米光子材料中的光波作用时历经量子力学相移，此发现有望揭示纳米材料的新功能。相关的实验和结果发表在最新一期的Science Advances上。

图1 光激发超材料的超快电子衍射（慕尼黑大学Kathrin Mohler供图）

纳米光子材料及超材料

自然界中许多物质都可以与光波等电磁波发生各类相互作用。然而，为开发超高效太阳能电池、隐形设备或催化剂，生成新型光学效应，必须使用经过人工设计的结构——即所谓的超材料。这些材料含有纳米尺度上的复杂结构，即尺度远低于激发波长、呈网格状排列的基本单元，实现了远超普通材料的性能。

为更好的了解超材料的特性，以更好的提升其性能，必须深入研究入射光波与超材料中微小结构相互作用时的行为。因此，测量光激发纳米结构及其附近的电磁近场时，必须达到纳米级空间分辨率（约为1米的10的负9次方）、高于激发周期持续时间（约为1秒的10的负15次方）的时间分辨率。传统的光学显微镜显然无法实现这一点。

光激发纳米结构的超快电子衍射

与光子不同，电子具有静止质量，其空间分辨率是光子的10万倍；此外，由于电子携带电荷，因此可以用来测量电磁场和电势。由康斯坦茨大学Peter Baum教授领导的一个小组已经成功应用极短的电子脉冲来实现高时空分辨率测量。为达到所需测量精度，研究人员使用太赫兹辐射压缩电子脉冲的持续时间，以精确解析纳米结构处电磁近场的光振荡。

高时空分辨率

“实验的挑战在于同时在时间和空间上实现超高分辨率。为了避免空间电荷效应，每个脉冲仅使用单个电子，并将这些电子加速到75千电子伏特的能量。”康斯坦茨大学物理系光与物质研究组组长、该研究的末位作者Peter Baum教授解释道。当这些极短的电子脉冲被纳米结构散射时，彼此因电子的量子力学特性而相互干扰，从而产生样品的衍射图像。

与电磁场和电位的相互作用

光激发纳米结构的研究，是基于一项已知的原理——即泵浦探针技术。超短电子脉冲被近场的光激发后，在定义的时间点上测量时空场。“根据Aharonov和Bohm的预测，电子在通过电磁势时会经历波函数的量子力学相移。” 慕尼黑大学的博士、本研究的第一作者Kathrin Mohler解释说。这些光学诱导的相移提供了纳米结构上光超快动力学的信息，最终形成了一个类似电影的图像序列，揭示了光与纳米结构的相互作用。

电子全息与衍射的未来应用

此项实验证明，电子全息与衍射技术未来可用于纳米光子材料以及超材料的研究中，以帮助人们理解材料中发生的光-物质相互作用。从长远来看，此项实验可进一步推动集成化光学设备、新型太阳能电池以及高效催化剂的发展和改进。

文章见：http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.abc8804 。