慢速电子与小纳米颗粒光学近场的强非弹性散射

自由空间快电子与受限光学近场的相互作用近来引发了广泛关注。它催生了一种新型光子诱导近场电子显微镜，能以极高的空间与光谱分辨率绘制纳米颗粒周围局域光学近场，并处于自由电子量子态操控与阿秒脉冲整形研究的核心。光学近场与慢速电子的相应相互作用受到的关注则要少得多，尽管较低电子速度可能增强小纳米颗粒处的电子–近场耦合。最近已有针对此类相互作用的第一性原理理论研究[N. Talebi, Phys. Rev. Lett. 125, 080401 (2020)]。基于该工作，我们从解析与数值两方面研究了慢速电子受小纳米结构近场的非弹性散射。对于弱场，这会产生明显的角衍射图样，其一阶近似为沿垂直于电子传播方向的标量近场势横向变化的傅里叶变换。对于较强场，沿电子轨迹的近场分量散射导致能谱分裂为多个光子阶。其角衍射图样由横向势变化的傅里叶变换的整数次幂给出，并随光子阶发生相移。我们的解析模型为研究电子动能、近场形状与强度对衍射的影响提供了高效方法，从而可借助超快低能点投影显微镜或相关技术促进这些现象的实验观测。这有望同时获取小纳米颗粒光学近场的不同矢量分量。