論文の概要: Optical Excitations with Electron Beams: Challenges and Opportunities
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2010.13510v4
- Date: Wed, 24 Mar 2021 06:35:48 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-04-27 11:29:59.902274
- Title: Optical Excitations with Electron Beams: Challenges and Opportunities
- Title（参考訳）: 電子ビームによる光励起:挑戦と機会
- Authors: F. Javier Garc\'ia de Abajo and Valerio Di Giulio
- Abstract要約: 本稿では,自由電子に基づくフォトニクス研究の概要について述べる。
単一電子による励起確率は、逆ビーム密度プロファイル上の古典平均と異なり、その波動関数とは独立であることを示す。
非侵襲分光法と顕微鏡への破壊的アプローチの様々なエキサイティングな方向性について考察した。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Free electron beams such as those employed in electron microscopes have
evolved into powerful tools to investigate photonic nanostructures with an
unrivaled combination of spatial and spectral precision through the analysis of
electron energy losses and cathodoluminescence light emission. In combination
with ultrafast optics, the emerging field of ultrafast electron microscopy
utilizes synchronized femtosecond electron and light pulses that are aimed at
the sampled structures, holding the promise to bring simultaneous
sub-Angstrom--sub-fs--sub-meV space-time-energy resolution to the study of
material and optical-field dynamics. In addition, these advances enable the
manipulation of the wave function of individual free electrons in unprecedented
ways, opening sound prospects to probe and control quantum excitations at the
nanoscale. Here, we provide an overview of photonics research based on free
electrons, supplemented by original theoretical insights, and discussion of
challenges and opportunities. In particular, we show that the excitation
probability by a single electron is independent of its wave function, apart
from a classical average over the transverse beam density profile, whereas the
probability for two or more modulated electrons depends on their relative
spatial arrangement, thus reflecting the quantum nature of their interactions.
We derive first-principles analytical expressions that embody these results and
have general validity for arbitrarily shaped electrons and any type of
electron-sample interaction. We conclude with perspectives on various exciting
directions for disruptive approaches to non-invasive spectroscopy and
microscopy, the possibility of sampling the nonlinear optical response at the
nanoscale, the manipulation of the density matrices associated with free
electrons and optical sample modes, and applications in optical modulation of
electron beams.
- Abstract（参考訳）: 電子顕微鏡などの自由電子ビームは、電子エネルギー損失とカソードルミネッセンス発光の分析を通じて、空間的およびスペクトル的精度の未限定の組み合わせでフォトニックナノ構造を研究するための強力なツールへと進化してきた。
超高速電子顕微鏡の新興分野は、試料構造を対象とする同期フェムト秒電子と光パルスを利用し、物質と光場ダイナミクスの研究に同時にサブアングストローム-サブ-fs--サブ-mevの時空エネルギー分解をもたらすことを約束している。
さらに、これらの進歩は、個々の自由電子の波関数を前例のない方法で操作することを可能にし、ナノスケールでの量子励起をプローブし制御するために音の見通しを開く。
本稿では、自由電子に基づくフォトニクス研究の概観と、オリジナルの理論的洞察による補足、課題と機会の議論について述べる。
特に、1つの電子による励起確率は、逆ビーム密度プロファイル上の古典平均と異なり、波動関数とは独立であることを示し、一方、2つ以上の変調された電子の確率は相対的な空間配置に依存し、それらの相互作用の量子的性質を反映する。
これらの結果を具現化し、任意形状の電子とあらゆる種類の電子-サンプル相互作用に対する一般的な妥当性を有する第一原理解析式を導出する。
我々は、非侵襲分光と顕微鏡への破壊的なアプローチ、ナノスケールでの非線形光学応答のサンプリングの可能性、自由電子と光試料モードに関連する密度行列の操作、および電子ビームの光変調への応用について、様々なエキサイティングな方向性を考察した。
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