Ultrakurzzeitdynamik laserangeregter Festkörper: zeitaufgelöste Beschreibung nach ultraschneller Anregung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In meiner Emmy Noether-Gruppe zur Ultrakurzzeitdynamik laserangeregter Festkörper untersuchten wir mit verschiedenen theoretischen Methoden das Zusammenspiel der während und unmittelbar nach ultraschneller Anregung auf unterschiedlichen Zeitskalen im Festkörper ablaufenden mikroskopischen Prozesse. Die spezifischen Materialien konnten neben Metallen und Isolatoren um Halbleiter und Ferromagnete erweitert werden; ebenfalls kamen neben der Anregung durch sichtbare Laserpulse die Anregungen durch VUV Strahlung und schnelle schwere Ionen hinzu. 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. Die Benutzung verschiedener Modelle, die je nach Fragestellung einen unterschiedlichen mikroskopischen Detaillierungsgrad aufweisen, prägen die Arbeit meiner Gruppe. So haben wir einerseits kinetische Beschreibungen wie die Boltzmanngleichung und Monte Carlo Simulationen angewandt, 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. Im Bereich der zeitaufgelösten Beschreibung der Elektronendynamik in Metallen haben wir vor allem Boltzmann'sche Stoßterme angewandt. Hier lag der Fokus auf der Thermalisierung der Elektronen und dem Einfluss des Nichtgleichgewichts auf die energetische Kopplung an das Gitter. Unter Berücksichtigung des Elektronenspins und einer dynamischen Austauschaufspaltung konnten experimentell gemessene Demagnetisierungskurven reproduziert werden. Die Elektronendynamik nach XUV Anregung wurde mithilfe klassischer Monte Carlo Simulation beschrieben. Es wurde gezeigt, dass das Nichtgleichgewicht der Verteilung recht lange andauert und bei der Interpretation experimenteller Messungen berücksichtigt werden muss. Für Dielektrika konnte mithilfe Boltzmann'scher Stoßterme die Verteilungsfunktion der Elektronen in Valenz- und Leitungsband verfolgt werden. Ist nur die Dichte der Leitungsbandelektronen von Interesse, bietet sich die von mir entwickelte Multiple Ratengleichung als makroskopische Näherung unter Vernachlässigung der Relaxationsterme an. Diese wurde angewandt, um pulsformabhängige Schadensschwellen zu erklären und den Intensitätsverlust in der Tiefe des Materials zu modellieren. Am Beispiel der XUV Anregung von Wasser konnte die klassische Monte Carlo Simulation mathematisch genauer gefasst und verstanden werden. Diese mikroskopischen Ergebnisse fanden Eingang in die Implementierung von Transportgleichungen, die zum Teil auch Anfangsbedingungen für hydro- oder molekulardynamische Simulationen lieferten. Vielfältige Anwendungsgebiete wie die Erklärung von lonenspuren, Schmelzen von Halbleitern, Ablation mit räumlich modulierten Anregungen und simultaner Berechnung von Materialantwort und Ablationsplasmen für längere Bestrahlungsdauern öffnen sich.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Effective energy gap of semiconductors under irradiation with a femtosecond VUV laser pulse, Europhysics Letters 88, 55001 (2009)
N. Medvedev and B . Rethfeld
- A self-consistent model for the idtrashort visible light irradiation of semiconductors, Journal of Applied Physics, 108, 103112 (2010)
N. Medvedev and B . Rethfeld
- Energy dissipation in dielectrics after swift heauy ion impact: a hybrid model, Phys. Rev. B 84, 214105 (2011)
O. Osmani, N. Medvedev, M. Schleberger and B . Rethfeld
- Short-Time Electron Dynamics in Aluminum Excited by Femtosecond Extreme Ultraviolet Radiation, Phys. Rev. Letters 107, 165003 (2011)
N. Medvedev, U. Zastrau, E. Förster, D.O. Gericke and B . Rethfeld
- Space charge corrected electron emission from an aluminum surface under non-equilibrium conditions, Journal of Applied Physics, 111, 113110 (2012)
W. Wendelen, B.Y. Mueller, D. Autrique, B . Rethfeld and A. Bogaerts
- Feedback Effect during Ultrafast Demagnetization Dynamics in Ferromagnets, Phys. Rev. Lett. I l l , 167204 (2013)
B.Y. Mueller, A. Baral, S. Vollmar, M. Cinchetti, M. Aeschlimann, H.C. Schneider, and B. Rethfeld
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.111.167204) - Relaxation dynamics in laser-excited metals under nonequilibrium conditions, Phys. Rev. B 87, 035139 (2013)
B. Y. Mueller and B . Rethfeld
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.87.035139) - Short laser pulse nano structuring oJ metals: direct comparison of molecular dynamics modeling and experiment, Applied Physics A 111, 675 (2013)
D.S. Ivanov, A.I. Kuznetsov, V.P. Lipp, B . Rethfeld, B.N. Chichkov, M.E. Garcia and W. Schulz
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00339-013-7656-9) - 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
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.245502) - Electron dynamics and energy dissipation in highly excited dielectrics, Nucl. Inst. &: Methods, B 327, 78 (2014)
B . Rethfeld, A. Rämer, N. Brouwer, N. Medvedev and O. Osmani
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.nimb.2013.10.087)
