Quantum Vlasov theory of Mie oscillations in metal clusters : a self-consistent approach to quantum surface effects in nanoparticles

Aachen (2018) [Doktorarbeit]

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Kurzfassung

Die Elektronendynamik in metallischen Atomclustern wird im Rahmen der Quanten-Vlasov-Theorie untersucht. Die Vlasov-Theorie beschreibt Gleichgewichte und Anregungen in idealen Plasmen mithilfe selbstkonsistenter Felder und wird in dieser Arbeit auf das sphärische Jellium-Modell der Atomcluster angewandt. Hierbeiliegt der Schwerpunkt auf Quanteneffekten in Nanometer großen Clustern. Eines der Hauptziele dieser Arbeit ist die Einordnung der Quantenoberflächeneffekte des Mie-Plasmons, die mit dem Spill-Out-Effekt der Elektronendichte verknüpft sind. Dafür wird das Vlasov-Modell im Rahmen theoretischer und numerischer Methoden sowohl im linearen als auch im nichtlinearen Regime behandelt. Lineare elektrostatische Clusteranregungen werden im Vielstrom-Vlasov-Modell und in einem Einzustand-Vlasov-Modell behandelt. Im Einzustandmodell kann die Dämpfung des Mie-Plasmons mit einer Konversion von Oberflächen- in Volumenplasmonen erklärt werden, die durch Oberflächenstreuung hervorgerufen wird. Unter Erhöhung der Anzahl repräsentativer Zustände im Vielstrom-Modellwird gezeigt, dass das Volumenplasmon in Einteilchenanregungen zerfällt (Landau-Dämpfung). Rechnungen für Na-Cluster werden im Vielstrommodell und mithilfe der Dichtefunktionaltheorie durchgeführt. Die Dämpfungsrate im Vielstrom-Modell ist in guter Übereinstimmung mit der des Einzustandmodells. Dies zeigt die Relevanz der Modenkonversion für den Zerfall des Mie-Plasmons. Die Dämpfungsratezeigt eine charakteristische Skalierung mit dem inversen Clusterradius. Zusätzlich ist die Resonanzfrequenz für kleine Cluster rotverschoben. Unter Berücksichtigung von Austausch-Korrelations-Korrekturen ergibt sich eine gute Übereinstimmung der Dämpfungsrate mit experimentellen und theoretischen Referenzergebnissen. Lineare elektromagnetische Clusteranregungen werden im Rahmen des Einzustandmodells behandelt. Das Ziel der Untersuchung ist die Analyse der Resonanzabsorption von Clustern an der kritischen Dichte, wobei die Theorie der Resonanzabsorption von ebenen Flächen auf sphärische Oberflächen mit variablem Einfallswinkel und variablen Lichtpolarisationen entlang der Oberfläche verallgemeinert wird. Als Vorstudie für nichtlineare elektrostatische Clusteranregungen wird die nichtresonante stoßfreie Absorption (Brunel-Mechanismus) von dünnen Schichten untersucht. Die Brunel’sche Skalierung kann für dicke Schichten im Quantenregimebestätigt werden. Für dünne Schichten zeigen sich Quanteneffekte, die durch den Spill-Out-Effekt hervorgerufen werden. Das Resultat ist eine Erhöhung des Brunel’schen Skalierungsexponenten für dünne Schichten. Nichtlineare elektrostatische Clusteranregungen sphärischer Na-Cluster werden untersucht. Für moderate Störungen ist die Resonanzposition des Mie-Plasmons in Bezug auf die lineare Resonanz blauverschoben. Zusätzlich verringert sich die Dämpfungsrate. Für hinreichend große Störungen werden dynamische Deformationseffekte beobachtet, die zu einer Aufspaltung der Mie-Resonanz führen. Diese Aufspaltung kann durch die Kopplung des Cluster-Dipolmoments an das Quadrupolfeld der Elektronenwolke außerhalb des Clusters erklärt werden. Die Wechselwirkung von Clustern mit Femtosekunden-Laserpulsen wird für Laserintensitäten bis 1014W/cm2 untersucht. An der Clusteroberfläche kann die Erzeugung von nichtlinearen Plasmawellen beobachtet werden, die in starken laserinduzierten Polarisationsfeldern entstehen. Die Beschleunigung der Plasmawellen durch das Cluster resultiert in der äußeren Ionisation des Clusters nahe der Pole. Rekombinationen von emittierten Elektronenwellenpaketen führen zu schnellen Dichteoszillationen auf der Attosekundenskala.