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Ultrakurzzeitdynamik laserangeregter Festkörper: zeitaufgelöste Beschreibung nach ultraschneller Anregung

Fachliche Zuordnung Experimentelle Physik der kondensierten Materie
Förderung Förderung von 2006 bis 2015
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 31067512
 
Erstellungsjahr 2015

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.

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