Details

Autor(en) / Beteiligte

• Wand, Mathias
• Förstner, Jens
• Meier, Torsten

Titel

Anwendungen der Zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie und der Wigner-Maxwell Gleichungen in der Plasmonik für Simulationen im Ultrakurzzeitbereich

Erscheinungsjahr

2014

Verknüpfte Titel

Beschreibungen/Notizen

• Tag der Verteidigung: 13.01.2014
• Paderborn, Univ., Diss., 2014
• ger: In dieser Arbeit werden Theorien und Simulationen entwickelt, mit denen die nichtlokalen und nichtlinearen optischen Eigenschaften metallischer Nanostrukturen untersucht werden können. Diese Nanostrukturen finden zur Zeit Anwendung im Bereich der Metamaterialien und Nanoantennen. Eine detaillierte Analyse von Längenskalen zeigt, dass die klassischen Theorien zur Modellierung der Materie, nicht angewendet werden können. Insbesondere wird versucht, die Licht-Materie Interaktion im Ultrakurzzeitbereich zu berechnen. Damit lassen sich Anregungen durch ultrakurze Lichtpulse analysieren, wie sie bei Anrege-Abfrage Experimenten verwendet werden. Der Themenschwerpunkt dieser Arbeit liegt bei der Lösung von quantenmechanischen Vielteilchenproblemen in der Plasmonik. Dazu wird zum einen die Zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie und zum anderen ein Ansatz, der die Dynamik der Dichtematrix über Wignerfunktionen beschreibt, auf Anwendbarkeit untersucht. Ein weiterer Themenschwerpunkt stellt die Erweiterung der Zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie um eine phänomenologische Dissipation dar. Diese wird auch benötigt, um Rückstreuungen von Ladungsdichtewellen in Nanostrukturen zu verhindern. Außerdem wird noch auf die Realisierung eines Finite-Differenzen Verfahrens zur Berechnung der elektromagnetischen Potentiale in der Coulomb-Eichung eingegangen. Zusammenfassend werden in dieser Arbeit verschiedene voll quantenmechanische Modellrechnungen für den Zeitbereich entwickelt und durchgeführt. Alle Simulationen berechnen die optischen Eigenschaften der Strukturen auf mikroskopischer Ebene im Rahmen des Jellium-Modells. Dabei werden nichtlokale Abschirmungseffekte berücksichtigt.
• eng: In this work theories and simulations are developed which can be used to study the nonlocal and nonlinear optical properties of metallic nanostructures. These nanostructures are currently used in the area of metamaterials and nanoantennas. A detailed analysis of length scales shows that the classical theories for modeling the optical response of matter cannot be applied. In particular, an attempt is made to calculate the light-matter interaction in the ultrafast time regime. This allows the analysis of excitations caused by ultrashort light pulses which are used in pump-probe experiments. A central topic of this thesis is the solution of quantum-mechanical many body problems in the field of plasmonics. The time-dependent density functional theory and an approach, which describes the dynamics of the density matrix by Wignerfunctions, are examined for applicability. Another focal point is the extension of the time-dependent density functional theory by a phenomenological dissipation for the simulation of scattering processes. This is also required in order to prevent backscattering of charge density waves in nanostructures. Moreover, the implementation of a finite difference method for the calculation of electromagnetic potentials in the Coulomb gauge is discussed. In summary, several fully quantum mechanical model calculations in the time domain are developed and carried out. All simulations calculate the optical properties of the structures at the microscopic level within the Jellium model. Nonlocal screening effects are taken into account.