超短光脉冲与薄膜相互作用的含时密度泛函理论
光学
2018-12-31 v1
摘要
我们基于第一性原理含时密度泛函理论，对超短光脉冲正入射薄膜给出了一个全面的理论描述。作为最精细的方案，我们发展了一种微观描述：在共同空间网格上，于时域同时求解光电磁场的 Maxwell 方程与电子动力学的含时 Kohn-Sham 方程。我们称之为微观 Maxwell-TDDFT 方案。我们在不同厚度的硅薄膜上测试了该方案，厚度从几个原子层到几十 nm 不等。我们表明，微观 Maxwell-TDDFT 方案在第一性原理层面上令人满意地描述了薄膜的电子结构、电磁场在表面的多次反射，以及入射光脉冲较强时的非线性光-物质相互作用。然而，随着厚度增加，计算变得昂贵。我们于是考虑极薄与足够厚两种极限情形并发展近似方案。对于包含二维原子层材料的极薄情形，发展了二维宏观电磁学：对弱场引入二维极化率，而对强场推导了时间演化方程。对于足够厚的薄膜，微观 Maxwell-TDDFT 方案预期与采用普通宏观电磁学的描述一致。我们通过比较计算结果数值上确认了这一点：对于弱场，与采用体介电极化率的描述进行比较；对于强场，与作者课题组先前发展的多尺度 Maxwell-TDDFT 方案进行比较。
引用
@article{arxiv.1810.08344,
title = {Time-dependent density functional theory for interaction of ultrashort light pulse with thin materials},
author = {Shunsuke Yamada and Masashi Noda and Katsuyuki Nobusada and Kazuhiro Yabana},
journal= {arXiv preprint arXiv:1810.08344},
year = {2018}
}
备注
14 pages, 10 figures