纳米动力学量级的发光

康斯坦茨、慕尼黑和雷根斯堡大学的物理学家已经成功证明超短电子脉冲与纳米光子材料中的光波作用时，会产生量子力学相移，这种现象可以揭露量子材料的性能。相对应的实验和结果发表在Science Advances最新的版块上。

纳米光子材料和超材料

      自然界中发现的许多材料都可以影响电磁波，例如光可以通过各种不同的方式。然而，产生特定的光学效应时常需要人造结构，即超材料，这样做的目的是为了开发高效率的太阳能电池，隐身装置或者催化剂。这些材料通过纳米尺寸上的复杂结构实现了卓越的性能，即通过长度尺度上远低于激发波长的最小结构单元的网格状排列。此类超材料的表征和开发需要深入了解入射光波撞击微小结构的机理以及它们是如何相互作用的。因此，必须以纳米级（-10-9)的空间分辨率，低于激发周期持续时间（-10-15）的时间分辨率来测量光激发纳米结构及其电磁近场。然而，仅凭常规光学显微镜无法实现这一点。

光学激发纳米结构的超快电子衍射

      与光相反，电子具有静止质量，因此可提供的空间分辨率是光子的100,000倍。另外，由于电荷的存在，电子可用于探测电磁场和电荷。康斯坦茨大学的彼得·鲍姆（Peter Baum）教授领导的一个研究小组现已成功地施加了极短的电子脉冲来完成这种测量。为此，通过太赫兹辐射将电子脉冲的持续时间及时地压缩到一定程度，研究人员能够详细解析纳米结构处电磁近场的光学振荡。

高空间时间分辨率

      “实验中的挑战来源于保证分辨率在时间和空间上都是足够高的，为了避免空间电荷效应，我们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，” 彼得·鲍姆教授解释到，他是该研究的最后一个作者，是康斯坦茨大学物理系光与物质工作组负责人。

当在纳米结构上散射时，由于量子力学特性这些超短电脉冲互相干涉，并且产生了样本的衍射图案。

电磁场和电势的相互作用

       光激发纳米结构的研究基于已知的泵浦探针实验原理。经过近场光学的激励之后，超短电子脉冲到达了指定的时间点，并在时间和空间上测量了时空场。“根据Aharonov和Bohm的预测，电子通过电磁势时会经历波函数的量子机械相移，” 慕尼黑LMU的博士研究员，该研究的第一作者Kathrin Mohler解释说。这些光学诱导的相移提供了在纳米结构上光超快动力学的信息，最终提供了电影般的图像序列，揭示了光与纳米结构的相互作用。

电子全息和衍射的新应用方案

这些实验说明了如何在将来利用电子全息术和衍射来增进我们对纳米光子材料和超材料的基本光物质相互作用的理解。从长远来看，这些实验可能导致紧凑型光学器件，新型太阳能电池或高效催化剂的开发和优化。