納米尺度，或納米級尺度，通常是指結構與長度適用於納米技術的尺度，通常為1-100納米。1納米是十億分之一米。
超材料和納米光子材料
大自然中發現的許多材料都可以以各種不同的方式影響電磁波，例如光。然而，為了開發特別有效的太陽能電池、隱身裝置、或催化劑而產生新穎的光學效果，通常需要人工製造的結構，即所謂的超材料（metamaterials）。這些材料通過在納米尺度上進行複雜的結構化，即通過在長度尺度上遠低於激發波長的最小構造塊的網格狀排列，來實現其非凡的性能。
這樣的超材料的表徵和開發需要對入射光波撞擊這些微小結構、以及它們如何相互作用予以深入的了解。因此，必須以納米級（10^-9 米）範圍內的空間解析度，同時以低於激發周期持續時間（10^-15 秒）的時間解析度，來測量光激發納米結構及其電磁近場。但是，僅靠常規光學顯微鏡無法實現這一點。
最近，德國的一個物理學家團隊成功地證明，超短電子脈衝通過與納米光子材料中的光波相互作用而經歷量子力學相移，從而可以發現納米材料新功能。該研究實驗和結果發表在最新一期的《科學進展》上。
光學激發納米結構的超快電子衍射
與光不同，電子具有靜止質量，提供的空間解析度是光子的10萬倍。另外，由於其電荷，電子可用於探測電磁場和電勢。該研究團隊成功地施加了極短的電子脈衝來完成這種測量。為此，通過太赫茲輻射將電子脈衝的持續時間及時壓縮到一定程度，以能夠詳細解析納米結構處電磁近場的光學振蕩。
足夠高的空間和時間解析度
該實驗面對的挑戰在於確保在空間和時間上都具有足夠高的解析度。為避免空間電荷效應，每個脈衝僅使用單個電子並將這些電子加速至75千電子伏特的能量。當被納米結構散射時，這些極短的電子脈衝由於其量子力學特性而相互幹擾，並產生樣品的衍射圖。如圖所示光學激發超材料的超快電子衍射。
與電磁場和電位的相互作用
對光激發納米結構的研究基於泵浦探針實驗的已知原理。在近場的光激發之後，超短電子脈衝到達定義的時間點，並測量時空的時空場。按照Aharonov和Bohm的預測，電子在通過電磁勢時會經歷其波函數的量子力學相移，這些光學誘導的相移提供了有關納米結構上光超快動力學的信息，最終提供了如電影般的圖像序列，揭示了光與納米結構的相互作用。
電子全息和衍射的新應用方案
這些實驗說明了如何在將來利用電子全息和衍射來增進對納米光子材料和超材料的基本光物質相互作用的理解。從長遠來看，這甚至可能導致緊湊型光學器件、新型太陽能電池、或高效催化劑的開發和優化。
參考：Ultrafast electron diffraction from nanophotonic waveforms via dynamical Aharonov-Bohm phases,Science Advances(2020).DOI: 10.1126/sciadv.abc8804. https://advances.sciencemag.org/content/6/47/eabc8804
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