Nonlinear optical properties of solids from real-time time-dependent density functional theory

Die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie ist ein grundlegendes Thema der Physik, das Phänomene über eine Vielzahl räumlicher und zeitlicher Skalen hinweg umfasst. In dieser Dissertation untersuchen wir diese Wechselwirkungen auf atomarer Ebene und auf ultraschnellen Zeitskalen bis in den Femtosekundenbereich. Mithilfe der Echtzeit-basierten zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie (rt-TDDFT) erforschen wir die nichtlinearen optischen Eigenschaften von Festkörpern unter dem Einfluss starker externer Laserfelder. Zunächst setzen wir rt-TDDFT ein, um das lineare optische Spektrum sowie nichtlineare Antworten verschiedener Materialien zu berechnen. Durch die Simulation des optischen Kerr-Effekts führen wir Pumplaser unterschiedlicher Intensität in die Simulationszelle ein und bestimmen den intensitätsabhängigen Brechungsindex. Aus diesen Ergebnissen extrahieren wir zentrale nichtlineare Parameter dritter Ordnung, darunter den Kerr-Koeffizienten (n2), den Zwei-Photonen-Absorptions-koeffizienten (β) sowie die komplexe nichtlineare Suszeptibilität dritter Ordnung (χ(3)). Unsere Analyse umfasst eine Vielzahl von Materialien, darunter Halbleiter mit direkter Bandlücke (ZnO), Halbleiter mit indirekter Bandlücke (Diamant und Silizium), Metalle (Gold, Iridium) sowie zweidimensionale Übergangsmetall-Dichalkogenide, jeweils mit verfügbaren experimentellen Daten zum Vergleich. Zudem untersuchen wir die Entwicklung dieser nichtlinearen Eigenschaften in Abhängigkeit von unterschiedlichen Pump-Photonenenergien und Pulsdauern. Um ein tieferes Verständnis nichtlinearer Prozesse zu gewinnen, konzentrieren wir uns darüber hinaus auf die Nichtgleichgewichts-Elektronendynamik in kristallinem ZnO, die durch ultrakurze, intensive Infrarot-Laserpulse angeregt wird. Wir betrachten dabei zwei Pulsfrequenzen im nahen und mittleren Infrarotbereich mit verfügbaren experimentellen Vergleichsdaten und berechnen die Elektronenanregung über einen weiten Intensitätsbereich. Drei komplementäre Ansätze kommen hierbei zum Einsatz: das analytische Keldysh-Modell, numerische Lösungen der Halbleiter-Bloch-Gleichungen sowie rt-TDDFT-Simulationen. Wir identifizieren unterschiedliche Anregungsregime - die interbandige Mehrphotonenabsorption und das intrabandige Tunneln infolge der Bandverbiegung -, deren Zusammenspiel die komplexe Elektronendynamik bestimmt. Auf makroskopischer Ebene beobachten wir darüber hinaus den dynamischen Franz-Keldysh-Effekt.