Ultrafast dynamics of strongly correlated systems

Abstract

In the thesis, I present a theoretical study of ultrafast processes in systems with strong electronic correlations, driven out of equilibrium by ac fields. The main point is understanding the behavior of a system with strong electronic correlations in the presence of external fields, besides, already reach physics demonstrated by such systems even in equilibrium case. I use the nonequilibrium dynamical mean-field theory (NE-DMFT) as a method for time-resolved simulation of strongly correlated many-body systems driven out of equilibrium by the external field. Tuning the applied field in a wide range of frequency, intensity, polarization, and pulse shape together with electronic correlations give us access to a number of new phenomena considered in the present thesis. First such phenomenon is sign change of the effective Coulomb interaction under the influence of half- mono- and multi-cycle pulses adopted to a two-dimensional square lattice, which could be used as a realistic model of high-TC superconducting materials. Then I apply NE-DMFT to study the trapping of electrons into a new metastable state, demonstrating the transition of the metallic phase to the insulator. This transition is driven by effective potential, generated by the low-frequency laser-induced many-body dynamics. This phase is called "Kramers-Henneberger solid", and it is discussed in analogy with "Kramers-Henneberger atom", bound electronic states residing in a new potential generated by the combined action of the laser field and the atomic core. Applying a high-frequency external electric field to a one-orbital Hubbard model without dissipation leads to a change in the band structure and momentum distribution without significant transfer of particles above the Fermi level. This electronic topological modification leads to field-induced Lifshitz transition. Finally, in order to gain an insight into the nature of magnetic excitations in complex itinerant magnets, I use realistic linear response time-dependent density functional theory. I apply this theory for analysis of spatial and time scales of spin density fluctuations in 3d ferromagnets.

In der Dissertation stelle ich eine theoretische Studie von ultraschnellen Prozessen in Systemen mit starken elektronischen Korrelationen vor, die durch Wechselstromfelder aus dem Gleichgewicht gebracht werden. Es wird beson dere Aufmerksamkeit dem Verständnis des Verhaltens von Systemen mit starken elektronischen Korrelationen in externen Feldern zugeteilt, die bereits im Gleichgewicht reichhaltige Physik demonstriert haben. Dabei verwende ich die Theorie des dynamischen Nichtgleichgewichtsmolekularfeldes (NE-DMFT) um die stark korrelierter Vielkörpersysteme im externen Feld zeitaufgelöst zu simulieren. Durch die Einstellung von Frequenz, Intensität, Polarisation und Pulsform des angelegten Feldes in einem breiten Parameterspektrum sowie durch elektronische Korrelationen erhalten wir Zugang zu einer Reihe neuer Phänomene, die in der vorliegenden Arbeit untersucht werden. Ein solches Phänomen ist die Vorzeichenänderung der effektiven Coulomb - Wechselwirkung unter dem Einfluss von Halb-, Mono- und Mehrperiodenpulsen, die auf ein zweidimensionales Quadratgitter angewendet werden und kann als realistisches Modell für supraleitende Materialien mit hohem-TC verwendet werden könnten. Dann verwende ich NE-DMFT, um das Einfangen von Elektronen in einen neuen metastabilen Zustand zu untersuchen und den Übergang der metallischen Phase zum Isolator zu demonstrieren. Dieser Übergang wird von einem effektiven Potential angetrieben, das durch die niederfrequente laserinduzierte Vielkörperdynamik erzeugt wird. Diese Phase wird als "Kramers-Henneberger-Festkörper" bezeichnet und in Analogie zum "Kramers-Henneberger-Atom", einem gebundenen elektronischen Zustand, der in einem neuen Potenzial vorliegt, welcher durch die kombinierte Wirkung des Laserfeldes und des Atomkerns erzeugt wurde, diskutiert. Das Anlegen eines hochfrequenten externen elektrischen Feldes an ein dissipationsfreies Ein-Orbital-Hubbard-Modell führt zu einer Änderung der Bandstruktur und der Impulsverteilung ohne signifikante Übertragung von Teilchen über das Fermi-Niveau. Diese elektronische topologische Modifikation führt zu einem feldinduzierten Lifshitz-Übergang. Um schließlich einen Einblick in die Natur der magnetischer Anregungen in komplexen itineranten Magneten zu erhalten, verwende ich eine realistische zeit-abhängige Lineare-Antwort-Dichtefunktionaltheorie. Ich wende diese Theorie zur Analyse der räumlichen und zeitlichen Skalen von Spin-Dichte-Schwankungen in 3d Ferromagneten an.