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Time-Dependent Density Functional Theory for Intense Laser-Matter Interaction

Ruggenthaler, Michael

German Title: Zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie für Intensive Laser-Materie Wechselwirkung

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Abstract

In order to properly describe the dynamics of a many-particle system in strong, time-dependent fields, a nonperturbative treatment of all constituents and of their correlation is needed. An ab initio solution of the time-dependent many-body Schrödinger equation is only feasible for simple systems. Hence, for many-electron systems in intense laser fields practicable methods for solving the quantum-mechanical many-body problem are required. An formally exact approach is the time-dependent density functional theory. In this work a mathematically rigorous formulation of the foundations of this theory is given. Further the non-locality in time of the exchange-correlation functionals is examined, and we formally define the notion of "quantum memory". We investigate the fundamental process of Rabi oscillations from a density-functional point of view and find the few-level approximation to be in conflict with the basis of time-dependent density functional theory. Finally, we apply the theory to calculate the electron dynamics of C60 in intense laser pulses. Although the laser light is far off-resonant with respect to the collective modes of the C60 the multi-electron dynamics strongly influences the harmonic spectra. The efficiency of this multi-particle recollision process with respect to the usual single active electron approximation of high-order harmonic generation is estimated by two analytical models.

Translation of abstract (German)

Die Dynamik von Vielteilchensystemen in starken, zeitabhängigen Feldern erfordert eine nicht-perturbative Behandlung aller Konstituenten und ihrer Korrelationen. Eine direkte numerische Lösung der zeitabhängigen Schrödinger-Gleichung ist jedoch lediglich für sehr einfache Systeme zielführend. Daher benötigt man zur Beschreibung von Mehrelektronensystemen in intensiven Laserfeldern praktikable Methoden, um das quantenmechanische Vielteilchen-Problem näherungsweise zu lösen. Eine prinzipiell exakte Herangehensweise stellt die zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie dar. In dieser Arbeit wird eine mathematisch rigorose Formulierung der Grundlagen dieser Theorie präsentiert. Desweiteren wird die zeitliche Nichtlokalität der Austausch-Korrelations-Funktionale untersucht und eine formale Definition des Begriffes "quantum memory" gegeben. Der fundamentale Prozess der Rabi-Oszillation wird aus Sicht der zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie betrachtet, und die Inkompatibilität mit Näherungen basierend auf endlich vielen Niveaus wird gezeigt. Schlußendlich wird diese Theorie verwendet, um die Elektronendynamik von C60 in einem intensiven Laserpuls zu berechnen. Obwohl der Laser die kollektiven Moden des C60 nicht direkt anregen kann, wird das Harmonischenspektrum stark von der Vielteilchendynamik beeinflußt. Die Effizienz dieses Vielteilchen-Rekollisionsprozesses im Vergleich zur üblichen Einteilchennäherung für die Erzeugung hoher Harmonischer wird zusätzlich durch zwei analytische Modelle abgeschätzt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bauer, Dr. PD Dieter
Date of thesis defense: 27 May 2009
Date Deposited: 09 Jun 2009 15:19
Date: 2009
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Vielteilchentheorie, Dichtefunktionalformalismus, Atom-Photon-Wechselwirkung, Elektronenkorrelation, Funktionalanalysis
Uncontrolled Keywords: Intensive Laser-Materie Wechselwirkung , Hohe Harmonische , Resonante Wechselwirkung , Plasmonen-Resonanz , Sturm-Liouville ProblemIntense Laser-Matter Interaction , High Harmonics , Resonant Interaction , Plasmon-Resonance , Sturm-Liouville Problem
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