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

El-Khawaldeh, Amir; Bauer, Dieter; Kull, Hans-Jörg

doi:10.18154/RWTH-2018-224139

Quantum Vlasov theory of Mie oscillations in metal clusters : a self-consistent approach to quantum surface effects in nanoparticles = Quanten-Vlasov-Theorie von Mie-Schwingungen in Metallclustern: Eine selbstkonsistente Beschreibung von Quantenoberflächeneffekten in Nanoteilchen

El-Khawaldeh, Amir^RWTH*

2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Amir El-Khawaldeh, M.Sc. RWTH

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (v, 144 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Kull, Hans-Jörg (Thesis advisor)^RWTH* ; Bauer, Dieter (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-05-09

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-224139
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/723332/files/723332.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Metal Clusters (frei) ; Vlasov Theory (frei) ; Mie Plasmon Resonance (frei) ; Volume Plasmon Resonance (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

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.

The electron dynamics in metal clusters is studied in the framework of the quantum Vlasov theory. The Vlasov theory describes equilibria and excitations in ideal plasmas by a self-consistent field approach. It is applied to the spherical jellium model of atomic clusters with an emphasis on quantum-size effects in nanometer sized clusters. A proper understanding of the spill-out-induced surface effects of the Mie plasmon is one of the major goals of this work. For this purpose, the Vlasov model is treated by theoretical and numerical methods both in the linear and nonlinear regime of free and laser-driven cluster excitations. Linear electrostatic cluster excitations are treated in a multistream-Vlasov and in a reduced single-state Vlasov model. In the framework of the single-state model, the damping of the Mie plasmon can be explained by a mode conversion process from surface to volume plasmons due to surface scattering. Increasing the number of representative states in the multistream approach, it is shown that the residual volume plasmons are damped by single-particle excitations (Landau damping).Reference calculations are performed for specific Na clusters with the multistream and the more common density-functional theory approach. The plasmon damping rate in the multistream model shows good quantitative agreement with the damping rate obtained by the single-state model, which indicates the importance of mode conversion for the plasmon decay. The damping rate shows a characteristic scaling with the inverse cluster radius. In addition, the resonance frequency is redshifted with respect to the Mie frequency especially for small clusters. By further including exchange-correlation corrections, close agreement of the damping rate coefficient with previous experimental and numerical results can be achieved. Linear electromagnetic cluster excitations are treated in the single-state model. Resonance absorption of clusters is investigated at the critical density where the light frequency equals the plasma frequency. In this framework, the well-known theory of resonance absorption is generalized from plane to spherical surfaces with variable angles of incidence and light polarizations along the surface. As a preparatory study for nonlinear electrostatic cluster excitations, the non resonant collision less absorption (Brunel mechanism) of thin foils is investigated. Brunel’s scaling can be confirmed for thick foils in the present quantum regime. However, the energy absorption shows a clear signature of quantum-size effects for thin foils due to the spill-out effect of the electron density. The main result is an increase of Brunel’s scaling exponent for thin foils. Nonlinear electrostatic cluster excitations are investigated for spherical Na clusters. The nonlinear Mie oscillation is studied based on an impulsive excitation of the cluster. For moderate perturbations, the resonance position of the Mieplasmon is blue shifted with respect to the linear result. In addition, the plasmon line width decreases. For sufficiently large perturbations, dynamical deformation effects are observed, which lead to a splitting of the Mie resonance. This splitting can be explained by a coupling of the cluster dipole moment to the quadrupole field induced by the electron cloud exterior to the cluster region. The residual excitations in the interior region of the cluster are characterized by local density fluctuations on the timescale of the plasma period. The interaction of clusters with femtosecond laser pulses is studied for peak intensities up to 1014W/cm2.Nonlinear plasma-wave generation at the cluster surface can be observed, which appears in the presence of strong laser-induced polarization fields. The acceleration of plasma waves through the cluster results in enhanced outer ionization close to the cluster poles. Recombinations of emitted electron wave packets result infast density oscillations on the attosecond scale.

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