Dynamics of electrons in strongly driven Dirac systems: From Floquet oscillations to high-harmonic generation

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	"University Press"
Date:	8 April 2024
Referee:	Prof. Dr. Klaus Richter and Prof. Dr. John Schliemann
Date of exam:	11 January 2024
Institutions:	Physics > Institute of Theroretical Physics > Chair Professor Richter > Group Klaus Richter
Keywords:	light-matter interaction, topological insulators, graphene, effective Dirac systems, Floquet oscillations, Floquet systems, high-harmonic generation, magnetic fields
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	55413

Abstract (English)

Light-matter interaction is a powerful tool for unravelling the properties of novel materials. In this work, we study the electron dynamics induced in effective Dirac systems, such as graphene and topological insulator surface states, by time-periodic driving and ultrashort laser pulses. We propose that so-called Floquet oscillations arise when a static electric field drives electrons through the ...

Abstract (English)

Light-matter interaction is a powerful tool for unravelling the properties of novel materials. In this work, we study the electron dynamics induced in effective Dirac systems, such as graphene and topological insulator surface states, by time-periodic driving and ultrashort laser pulses. We propose that so-called Floquet oscillations arise when a static electric field drives electrons through the Floquet bandstructure established by time-periodic driving. This phenomenon is an analogue of Bloch oscillations in spatially periodic lattices. Moreover, we explore the high-order harmonic radiation emitted by topological insulator surface states interacting with ultrashort, strong laser pulses. We develop a novel simulation method based on the propagation of wave packets, that takes the Fermi sea into account. Our results show how the Berry curvature imprints on the emitted spectrum and we find a susceptibility of the spectra to external magnetic fields.

Translation of the abstract (German)

Die Wechselwirkung von Licht mit Materie ist ein wichtiges Werkzeug, um die Eigenschaften neuartiger Materialien zu entschlüsseln. In dieser Arbeit untersuchen wir die Elektronendynamik, die durch zeitperiodisches Treiben und ultrakurze Laserpulse in effektiven Dirac-Systemen, wie Graphen und den Oberflächenzuständen von topologischen Isolatoren, induziert wird. Wir sagen voraus, dass sogenannte ...

Translation of the abstract (German)

Die Wechselwirkung von Licht mit Materie ist ein wichtiges Werkzeug, um die Eigenschaften neuartiger Materialien zu entschlüsseln. In dieser Arbeit untersuchen wir die Elektronendynamik, die durch zeitperiodisches Treiben und ultrakurze Laserpulse in effektiven Dirac-Systemen, wie Graphen und den Oberflächenzuständen von topologischen Isolatoren, induziert wird. Wir sagen voraus, dass sogenannte Floquet-Oszillationen auftreten, wenn ein statisches elektrisches Feld Elektronen durch die Floquet-Bandstruktur treibt, die durch das zeitperiodische Treiben erzeugt wird. Dieses Phänomen ist ein Analogon der Bloch-Oszillationen in räumlich periodischen Gittern. Darüber hinaus untersuchen wir die Strahlung höherer harmonischer Ordnung, die von Oberflächenzuständen topologischer Isolatoren in Wechselwirkung mit ultrakurzen, starken Laserpulsen emittiert wird. Wir entwickeln eine neue Simulationsmethode, die auf der Zeitentwicklung von Wellenpaketen basiert und den Fermi-See berücksichtigt. Unsere Ergebnisse zeigen den Einfluss der Berry-Krümmung auf das emittierte Spektrum, und wir finden eine Suszeptibilität der Spektren für externe Magnetfelder.

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