Ultrafast dynamics of highly excited solids

• Applicant: Professorin Dr. Baerbel Rethfeld
• Subject Area: Theoretical Condensed Matter Physics
• Term: from 2012 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 207706155

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Im Rahmen meiner Heisenbergprofessur habe ich meine mithilfe eines Emmy Noether Stipendiums aufgebaute Nachwuchsgruppe weiter gestärkt. Eine Reihe zusätzlicher Drittmitteleinwerbungen erlaubte es, einer Vielzahl verschiedener Fragestellungen nachzugehen, die bei der Wechselwirkung von Lasern mit Materie auf ultrakurzen Zeitskalen auftauchen. Neben der Elektronendynamik in Metallen, Ferromagneten, Halbleitern und Isolatoren wurden auch Besonderheiten bei Anregung mit XUV-Strahlung sowie die Dynamik der Phononen bzw. struktureller Änderungen betrachtet. Dabei standen qualitative Aussagen im Vordergrund, die ein Verständnis des grundsätzlichen Einflusses bestimmter Merkmale des Festkörpers oder der anregenden Strahlung auf das Materialverhalten ermöglichen und mögliche universelle Verhaltensweisen aufzeigen. Es wurden vor allem kinetische Beschreibungen wie Boltzmann’sche Stoßterme verwendet, um die Elektronendynamik nach ultrakurzer Anregung zu verfolgen. Andererseits haben wir auch makroskopische Modelle benutzt, um beispielsweise die Entwicklung integrierter Parameter wie der Elektronendichte in Dielektrika zu beschreiben, oder den Transport von Energie und Teilchen im Halbleiter numerisch handhabbar zu verfolgen. Eine ständige Zielsetzung meiner Arbeit ist hier auch, vereinfachte, makroskopische Modelle aus den detaillierten mikroskopischen Beschreibungen zu extrahieren und ihre Anwendbarkeit zu überprüfen. Es wurde eine Methode entwickelt, realistische Zustandsdichten im Rahmen vollständiger Boltzmann’scher Stoßterme berücksichtigen zu können. Bei der Analyse der Elektronendynamik in verschiedenen Materialien konnten charakteristische Verhaltensweisen gefunden werden, die für bestimmte Eigenschaften der Zustandsdichte universell sind. Einen großen Raum nahm auch die Analyse von Relaxationsprozessen in Materialien mit zwei getrennten elektronischen Subsystemen ein. So zeigte sich in itineranten Ferromagne-ten wie auch in Halbleitern und Dielektrika eine Kaskade von Relaxationsprozessen, die die messbaren Größen beeinflussen. Während die Thermalisierung der Energieverteilung der angeregten Elektronen zu einer neuen Fermiverteilung recht schnell zu beobachten ist, bleibt ein sekundärer Nichtgleichgewichtszustand recht lange bestehen. Dieser Zustand lässt sich als Nichtgleichgewicht der chemischen Potentiale der beteiligten Subsysteme ausdrücken. Erste Ansätze einer vereinfachten Beschreibung, die sowohl die Relaxation der Temperaturen als auch der chemischen Potentiale berücksichtigt, sind vielversprechend. Desweiteren wurden sowohl die Anregung selbst als auch die späteren induzierten Materialmodifikationen untersucht. Hier bezogen sich Arbeiten zum einen auf die sich während der Bestrahlung ändernden optischen Eigenschaften im Nichtgleichgewicht, zum anderen wurden die bleibenden strukturellen Anderungen der bestrahlten Oberfläche simuliert. Erste Ansätze betrachten außerdem phononische Nichtgleichgewichtszustände, ihre Relaxation und ihre Wechselwirkung mit dem elektronischen System.

Publications

• Feedback Effect during Ultrafast Demagnetization Dynamics in Ferromagnets, Phys. Rev. Lett. 111, 167204 (2013)
  B.Y. Mueller, A. Baral, S. Vollmar, M. Cinchetti, M. Aeschlimann, H.C. Schneider, and B. Rethfeld
  
• Relaxation dynamics in laser-excited metals under nonequilibrium conditions, Phys. Rev. B 87, 035139 (2013)
  B. Y. Mueller and B. Rethfeld
  
• Tracks and Voids in Amorphous Ge Induced by Swift Heavy-Ion Irradiation, Phys. Rev. Lett. 110, 245502 (2013)
  M.C. Ridgway, T. Bierschenk, R. Giulian, B. Afra, M.D. Rodriguez, L.L. Araujo, A.P. Byrne, N. Kirby, O.H. Pakarinen, F. Djurabekova, K. Nordlund, M. Schleberger, O. Osmani, N. Medvedev, B. Rethfeld and P. Kluth
  
• Laser damage in silicon: Energy absorption, relaxation, and transport, J. Appl. Phys. 116, 053508 (2014)
  A. Rämer, O. Osmani, B. Rethfeld
  
• Experimental and Theoretical Investigation of Periodic Nanostructuring of Au with Ultrashort UV Laser Pulses near the Damage Threshold, Phys. Rev. Applied 4, 064006 (2015)
  D. S. Ivanov, V. P. Lipp, A. Blumenstein, F. Kleinwort, V. P. Veiko, E. Yakovlev, V. Roddatis, M. E. Garcia, B. Rethfeld, J. Ihlemann und P. Simon
  
• Fundamentals of ultrafast laser-material interaction, MRS Bulletin 41, 960 (2016)
  M. V. Shugaev, C. Wu, O. Armbruster, A. Naghilou, N. Brouwer, D. S. Ivanov, T. J.-Y. Derrien, N. M. Bulgakova, W. Kautek, B. Rethfeld and L. V. Zhigilei
  
• Modelling ultrafast laser ablation, Topical Rewiew, Journal of Physics D: Applied Physics, 50, 193001 (2017)
  B. Rethfeld, D. S. Ivanov, M. E. Garcia and S. I. Anisimov
  
• Transient electron excitation and nonthermal electron-phonon coupling in dielectrics irradiated by ultrashort laser pulses, Phys. Rev. B 95, 245139 (2017)
  N. Brouwer and B. Rethfeld
  
• Femtosecond formation dynamics of the spin Seebeck effect revealed by terahertz spectroscopy, Nature Communications, 9, 2899 (2018)
  T. S. Seifert, S. Jaiswal, J. Barker, S. T. Weber, I. Razdolski, J. Cramer, O. Gueckstock, S. F. Maehrlein, L. Nadvornik, S. Watanabe, C. Ciccarelli, A. Melnikov, G. Jakob,M. Münzenberg, S.T.B. Goennenwein, G. Woltersdorf, B. Rethfeld, P. W. Brouwer, M. Wolf, M. Kläui and T. Kampfrath
  
• Relaxation of a nonequilibrium phonon distribution induced by femtosecond laser irradiation, Phys. Rev. B 98, 144306 (2018)
  I. Klett and B. Rethfeld