Kurzfassung
Die Entwicklung von Attosecond Transient Absorption spectroscopy (ATAS) auf der Grundlage von Pump-Probe-Anordnungen ist seit mehreren Jahrzehnten ein aktives Forschungsgebiet. Jüngste Fortschritte bei Tischlaserquellen in Verbindung mit der Entdeckung zweidimensionaler (2D) Materialien haben das Interesse an dieser Technik intensiviert. Attosecond Transient Absorption spectroscopy (ATAS) ist ein so vielseitiges und leistungsfähiges Verfahren, das auf nahezu alle Aggregatzustände, einschließlich Festkörper, Flüssigkeiten und Gase, angewendet werden kann. In Festkörpersystemen ermöglicht Attosecond Transient Absorption spectroscopy (ATAS) präzise Messungen der Absorption eines Materials, während es mit einem Pumpimpuls wechselwirkt, gefolgt von einem gut kontrollierten zeitverzögerten Probeimpuls, um die durch den Pumpimpuls induzierte Dynamik zu untersuchen. Diese Messungen werden in der Regel als Funktion des Delays zwischen Pump- und Probeimpuls durchgeführt, wodurch sich die ultraschnelle Elektronendynamik und die strukturellen Veränderungen innerhalb des Materials messen lässt. Die Fähigkeit von Attosecond Transient Absorption spectroscopy (ATAS), die nichtlineare Elektronendynamik auf Attosekunden-Zeitskalen zu erfassen, ermöglicht die Erforschung verschiedener Eigenschaften der Materie, und ein entsprechender numerischer Ansatz für das Pump-Probe-Schema ist unerlässlich.
tas kann mit Hilfe eines numerischen Pump-Probe-Schemas genau modelliert werden, wobei Echtzeit-tddft zur Simulation der lichtinduzierten Elektronendynamik in Festkörpern verwendet wird. In dieser Arbeit zeigen wir, wie die numerischen Pump-Probe-Berechnungen als Medium für die Untersuchung der Nicht-Gleichgewichtsphänomene dienen, die in den zeitaufgelösten Experimenten beobachtet werden, und eine genaue Beschreibung der vorübergehenden optischen Eigenschaften von Festkörpern bieten. Durch die Simulation der ultraschnellen Elektronendynamik als Reaktion auf eine externe Störung liefern diese Berechnungen den zugrunde liegenden Mechanismus der lichtinduzierten Elektronendynamik in Festkörpern. Mit diesem Ansatz zeigen wir, wie der tas für einlagiges hBN unter Verwendung verschiedener Konfigurationen von Pumpimpulsen modelliert wird: lineare, zirkulare, monochromatische und bichromatische gegenläufig zirkular polarisierte Impulse induzieren eine nichtlineare Gleichgewichtsdynamik unterhalb der Bandlücke dieses Systems. Während die monochromatischen linearen und zirkular polarisierten Pulse Merkmale zeigen, die bei der doppelten Pumpfrequenz auftreten und mit den hervorstechenden Merkmalen des dfke verbunden sind, beobachten wir eine hochgradig nichtlineare optische Reaktion, die mit der dreifachen Pumpfrequenz oszilliert. Das Ziel dieser Arbeit ist es, den mikroskopischen Ursprung dieser unter der Lücke liegenden transienten Merkmale für die verschiedenen Pumpimpulse zu verstehen.
Zusätzlich zur numerischen Simulation entwickeln wir eine Theorie, die zwei parabolische Bänder für die Valenz- und Leitungsbandzustände verwendet, um den mikroskopischen Ursprung dieser transienten Eigenschaften zu untersuchen und mit den Ergebnissen der ab inito Rechnugen zu vergleichen. Das parabolische Zweibandmodell ermöglicht somit eine angemessene Beschreibung der nichtlinearen optischen Reaktion des einschichtigen hBN und reproduziert nicht nur die Ergebnisse der /textit{ab-initio, sondern eröffnet auch einen neuen Weg zur weiteren Analyse der Nichtgleichgewichtselektronendynamik in Festkörpern.
Darüber hinaus präsentieren wir eine umfassende Studie über die Schwingungseigenschaften verschiedener Schichten von MoS2 unter Lasereinwirkung durchgeführt. Mit Hilfe von dft und constrained dfpt berechnen wir die Phononfrequenzen der niederfrequenten Scher- und Zwischenschichtatmungsmoden. Unsere Ergebnisse werden mit Hilfe eines Open-Source-Tools weiter quantifiziert, das die Symmetrie und die optischen Aktivitäten dieser Schwingungsmoden vorhersagen kann, woraus wir ein Fächerdiagramm der optisch aktiven Moden erhalten. In ähnlicher Weise untersuchen wir die Auswirkungen der Photodotierung auf diese Schichten und die Phononenfrequenzverschiebung der Scher- und Atmungsmoden. Um diese Verschiebungen zu untersuchen, diskutieren wir einen Versuchsaufbau vor, bei dem verschiedene MoS2-Schichten durch einen Terahertz-Pumpimpuls optisch angeregt werden. Dies ermöglicht eine detaillierte Untersuchung der durch Photodotierung induzierten Phononenfrequenzverschiebung und ihrer Auswirkungen auf die Schwingungsdynamik des Materials und dient auch als Grundlage für die Vorhersage der theoretischen Ergebnisse.
The development of Attosecond Transient Absorption spectroscopy (ATAS) based on pump-probe setups has been an area of active research for several decades. Recent advancements of tabletop laser sources, combined with the discovery of two-dimensional (2D) materials have intensified interest in this technique. ATAS is such a versatile and powerful technique that can be applied nearly to all states of matter including solids, liquids and gases. In solid state systems, ATAS enables precise measurements of a materials response or absorption while it interacts with a pump pulse, followed by a well controlled time-delayed probe pulse to probe the dynamics induced by the pump pulse. These measurements are typically performed as a function of pump-probe delay which shows the ultrafast electron dynamics and structural changes within the material. The ability of ATAS to capture nonlinear electron dynamics on attosecond time scales enables the exploration of various properties of matter, and making a corresponding numerical approach to the pump-probe scheme essential. TAS can be accurately modelled using a numerical pump-probe scheme, employing real-time tddft to simulate light-induced electron dynamics in solids. In this thesis, we demonstrate how the numerical pump-probe calculations can be used for studying the non-equilibrium phenomena observed in time-resolved experiments, offering an accurate description of the transient optical properties of solids. By simulating the ultrafast electron dynamics in response to an external perturbation, these calculations provide a description of the underlying mechanism of light-induced electron dynamics in solids. Using this approach we show how the TAS is modelled for monolayer hBN using different configurations of pump pulse: linear, circular, two-color monochromatic and bichromatic counter rotating pulse induces non-linear equilibrium dynamics below the bandgap of this system. While the linear and circularly polarized pulses show features occurring with twice the applied pump frequency which are associated with the salient features of the Dynamical Franz Keldysh effect, we observed a highly nonlinear optical responses that oscillates with three times the pump frequency. The goal of this thesis is to understand the microscopic origin of these below gap transient features for the various pump pulse. In addition to the numerical simulation, we develop a theory using two parabolic bands for the valence and conduction band states to investigate the microscopic origin of these transient features and compare to the latter first principles results. The parabolic two-band model allows proper description of the non-linear optical response of the monolayer hBN and does not only qualitatively reproduced the ab-initio results but also open a novel path to further analyse the nonequillibrium electron dynamics in solids. Furthermore, we conduct a comprehensive study of the vibrational properties of various layers of MoS2 under photoexcitation. Using dft and constrained dfpt, we calculate the phonon frequencies of the low-frequency shear and interlayer breathing modes. Our findings are further quantified using an available open source tool capable of predicting the symmetry and optical activities of these vibrational modes from which we obtain a fan diagram of the optically active modes. Similarly, we investigate the effects of photodoping on these layers and the phonon frequency shift of the shear and breathing modes. To probe these shifts, we discuss an experimental setup in which different layer of MoS2 are optically excited by a Terahertz pump pulse, allowing for a detailed examination of the photodoping induced phonon frequency shift and their impact on the vibrational dynamics of the material and also to serve as a basis for the prediction of the theoretical results.