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Spontaneous and stimulated electron-photon interactions in nanoscale plasmonic near fields

Light(Science & Applications) 2021年第5期10卷 867-880页

作者： Matthias Liebtrau murat sivis Armin Feisto Hugo Lourenco-Martins Nicolas Pazos-Pérez Ramon A.Alvarez Puebla F.Javier Garcia de Abajo Albert Polman Claus Ropers Center for Nanophotonics AMOLF1098 XG AmsterdamThe Netherlands th Physical Institute-Solids and Nanostructures University of GÖttingen37077 GÖttingenGermany Max Plank Institute for Biophysical Chemistry 37077 GottingenGermany Department of Physical Chemistry and EMaS Universitat Rovira i Virgili43007 TarragonaSpain ICREA-Institucio Catalana de Recerca i Estudis Avangats 08010 BarcelonaSpain ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques The Barcelona Institute of Science and Technology08860 Castelldefels(Barcelona)Spain

The interplay between free electrons,light,and matter offers unique prospects for space,time,and energy resolved optical material characterization,structured light generation,and quantum information ***,we study the nanoscale features of spontaneous and stimulated electron–photon interactions mediated by localized surface plasmon resonances at the tips of a gold nanostar using electron energy-loss spectroscopy(EELS),cathodoluminescence spectroscopy(CL),and photon-induced near-field electron microscopy(PINEM).Supported by numerical electromagnetic boundary-element method(BEM)calculations,we show that the different coupling mechanisms probed by EELS,CL,and PINEM feature the same spatial dependence on the electric field distribution of the tip ***,the electron–photon interaction strength is found to vary with the incident electron velocity,as determined by the spatial Fourier transform of the electric near-field component parallel to the electron *** the tightly confined plasmonic tip resonances,our calculations suggest an optimum coupling velocity at electron energies as low as a few *** results are discussed in the context of more complex geometries supporting multiple modes with spatial and spectral *** provide fundamental insights into spontaneous and stimulated electron-light-matter interactions with key implications for research on(quantum)coherent optical phenomena at the nanoscale.

关键词： photon quantum coupling

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