光子誘起近接場電子顕微鏡
電子顕微鏡技術

光子誘起近接場電子顕微鏡法（PINEM ）は、超高速透過型電子顕微鏡法の一種であり、表面またはナノ構造の存在下における電子と光子間の非弾性結合に基づいています。[1]この方法により、電子顕微鏡内で時間変化するナノスケールの電磁場を調査することができます。[2] [3]

可視光の場合、電子と光の間のこのような非弾性結合、すなわち光子の直接吸収または放出は、エネルギーと運動量を同時に保存することが不可能であるため、自由空間（真空）では禁制です。この制約は、光が表面またはナノ構造から反射または散乱されることによって光子の運動量が広がることで回避できます。このプロセスにより、広い運動量分布を持つエバネッセント閉じ込め近接場が生成され、ナノ閉じ込め空間で高い強度に達し、電子と光の結合断面積も増大します。

この現象の理論的解析的記述は、Parkら[4] 、 Garcia de Abajoら[5]、Feistら[6]によってなされている。これらの研究において、著者らは電子-光相互作用の強さは、電子の伝播方向に沿った電場投影への線形結合に依存することを実証した。特に、Feistら[6]は、この相互作用過程によって電子波束のコヒーレントなスペクトル再分布が生じ、光子エネルギーによって状態が分離される多準位量子ラダーのラビ振動が生じることを実験的に実証した。

フォトニクス応用においては、このような非弾性散乱過程を受ける電子のスペクトル分布、空間分布、運動量分布が、電子-光結合を媒介する近接場分布と厳密に相関しているという事実が重要である。したがって、近接場分布は超高速電子顕微鏡法を用いて空間的および時間的にマッピングすることができ、ナノ構造内および周囲のナノスケール場のフェムト秒動画が得られる。[7] [8] [9]

PINEM法は、適切に準備された電磁場構成を用いることで、電子ビームの波動特性を動的に操作するためにも用いることができる。これにより、電子ビームの振幅と位相を縦方向と横方向の両方向でコヒーレントに変調することができる。[6] [10] [11] [12] [13] [14] [15]

参照

参考文献

  1. ^ Barwick, Brett; Flannigan, David J.; Zewail, Ahmed H. (2009年12月). 「光子誘起近接場電子顕微鏡法」. Nature . 462 (7275): 902– 906. Bibcode :2009Natur.462..902B. doi :10.1038/nature08662. eISSN  1476-4687. ISSN  0028-0836. PMID  20016598. S2CID  4423704.
  2. ^ Piazza, L; Lummen, TTA; Quiñonez, E; Murooka, Y; Reed, BW; Barwick, B; Carbone, F (2015年3月2日). 「プラズモニック近接場の量子化と干渉パターンの同時観測」. Nature Communications . 6 (1): 6407. Bibcode :2015NatCo...6.6407P. doi :10.1038/ncomms7407. eISSN  2041-1723. PMC 4366487. PMID 25728197  . 
  3. ^ Barwick, Brett; Zewail, Ahmed H. (2015-10-21). 「4D超高速電子顕微鏡におけるフォトニクスとプラズモニクス」. ACS Photonics . 2 (10): 1391– 1402. doi : 10.1021/acsphotonics.5b00427 . ISSN  2330-4022.
  4. ^ ST Park; M. Lin; AH Zewail (2010年12月). 「光子誘起近接場電子顕微鏡法（PINEM）：理論と実験」. New Journal of Physics . 12 (12) 123028. Bibcode :2010NJPh...12l3028P. doi : 10.1088/1367-2630/12/12/123028 . S2CID  9985483.
  5. ^ FJ García de Abajo; A. Asenjo-Garcia; M. Kociak (2010年4月). 「高速電子とエバネッセント光場との相互作用による多光子吸収および発光」 . Nano Letters . 10 (5): 1859– 1863. Bibcode :2010NanoL..10.1859G. doi :10.1021/nl100613s. PMID  20415459.
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