ЦентърИнститут за съвременни физически изследвания

CA17126

Към разбирането и моделирането на силно електронно възбуждане

 

Eлектронното възбуждане е основен процес, който възниква когато интензивно излъчване, възникващо от източници като лазери, бързи йони, рентгенови лъчи или електронни импулси взаимодсйстват с материята. Той играе освоовна рола в много приложения от обработката на материалите до медицината. До момента са разгледани само частични аспекти, свързани с електронното възбуждагане,  създадено от този тип източници. Липсата на систематична методология за опигсване на основните явлени, налага да се включат учени от различии области, теоретици, специалисти разработващи чвслсни методи и експериментатори. Една по-обща методология ще нзисква интелигентни стратегии, за да мотат съществуващите решения, които са подходящи в рамките на ограничените времеви и пространственни скали, да работят заедно в рамките на многомащабен формализъм. Настоящата СОТ акция е насочена към създаването на такава методология чрез следните подходи:

Поставяне на експерименти за валидиране на симулациите като оптимален механизъм за постигане на фундаментално разбиране на процесите в областта на интензивното електронно възбуждане. Изследваните ефскти които зависят от това дали различните основни процеси на електронно възбуждане в облъчената материя протичат последователн или едновременно (например ектон-електронно и електрои-фоннонно разсейване изискват експериментални подходи с вдременна резолюция за оценка на индивидуалния им принос и връзката с тях.

Определяне на спецификата на различните източници на лъчение върху ефектите предизвикани от електронно възбужане. Това ще позволи а бъдат свързани различия области (експериментални и теоретични), които изследват тези ефекти (например, интевнзивно лазерно облъчване в инфрачервения, видимата или ултравиолетовата области, облъчване с източници на рентгеново лъчение или облъчване с бързи йони или електрони) и ще способства за по-доброто разбиране на цялостната картина.

Определяне на стратегии за свързване на усъвършенстваните изчислителни методи, съществуващи в различните времеви и пространственни скали, което е особено важно когато например различните методи трябва да опишат процеси, които се припокриват на определени времеви скали. Това е една от основните задачи на проекта, тъй като повечето от методите работят добре в границите на своята приложимост, но връзката им с другите подходи не е проста (например молекулна динамика и кинетично уравнение на Болцман).

Предаване на новопридобитите знания в индустриалните и обществени приложения, при използване на инструментите на COST - кратки научни визите, семинари, летни школи, обучения, онлайн тулове, видеотуториали и др. В обобщение целта на тази акция е да се създаде мрежа за сътрудничество и създаване на по-изчерпателни модели.

Дейност 1: Свързана с дейностите на Работна група 2 и 3 и 5
Моделиране на процесите протичащи в златни наночастици, облъчени с фемтосекундни лазерни импулси.

1. Теоретичен модел и изчислителна програма.

2. Доклад на срещата на работните групи и включване на модела и резултатите в лекция за аспиранти на лятната школа на Акцията.

3. Популярна лекция с резултатите в НБУ, СУ.

4. По възможност подаване на статия в научно списание с индексиране или импакт фактор.

Дейност 2: Свързана с дейностите на Работна група 2 и 3 и 5
Свързване на триизмерен Максуел-Блох числен код с код на полупроводникови Блох и Болцман уравнения;

1. Теоретичен модел и изчислителна програма.

2. Доклад на срещата на работните групи и включване на модела и резултатите в лекция за аспиранти на лятната школа на Акцията .

3. Популярна лекция с резултатите в НБУ, СУ.

4. По възможност подаване на статия в научно списание с индексиране или импакт фактор.

Дейност 3: Свързана с дейностите на Работна група 2 и 3 и 5
Описание на генерирането на наоплазма като първи етап на процеса на ядреното възбуждане чрез електронен захват.

1. Теоретичен модел и изчислителна програма.

2. Доклади на срещите на работните групи и включване на модела и резултатите в лекция за аспиранти на лятната школа на Акцията-2019 .

3. Популярна лекция с резултатите в НБУ, СУ.

4. По възможност подаване на статия в научно списание с индексиране или импакт фактор.

Изледвана е свръхбързата фотойонизация, нелинейният отклик, формирането на плазма и поглъщането на енергия в обема на кристален силиций при неговото взаимодействие с 12 фемто секунден лазерен импулс с дължина на вълната в близкия инфрачен червен честотен диапазон. При максимални интензивности близки и по-големи от 1014/см2, фотойонизацията генерира плътна електрон-дупчеста плазма, в резултат на което в материала се депозират енергии, които надвишават няколкократно прага на топлинно топене за силиций. Това състояние може да бъде считано за предшественик на свръх бърз фазов преход и топене на силиций, както е потвърдено в експерименти, използващи фемтосекундни лазери. В зависимост от интензивността на лазерния импулс се открояват два режима на депозиране на лазерна енергия в полупроводниковия материал: за ниски интензивности фотоионизацията и поглъщането на енергия се извършват посредством пертурбативни три-фотонни преходи през забранената зона. При по-високи интензивности поглъщането на енергия силно нараства поради възбуждането на обемен плазмонен резонанс. В този режим лазерната енергия, вложена в електронната система превишава многократно прага за термично топене на силиций. Линейният отклик на лазерно-индуцираното състояние е анализирано посредством вътрешнозонния отклик и отклика на свободните носители. Зависимостта на отражението на облъчения силиций от енергия на лазерния импулс възпроизвежда качествено основните характеристики, наблюдавани в експериментите. В изследването е демонстриран относителният принос на ефекта на запълване на зоните, на принципа на Паули и откликът на свободните носители. По отношение на формирането и свойствата на лазерно-индуцирани периодични структури върху силициеви повърхности, нелинейният отклик на фотовъзбудения силиций е изследван посредством облъчването на кристала с два последователни, неприпокриващи се интензивни свръх-къси лазерни импулси. В зависимост от лазерната интензивност, произтича много ефективно депозиране на лазерна енергия в резултат на интерференцията на облъчващото лазерно лъчение с възбудените обемни плазмони.

Тези изследвания са отразени в доклад, „Energy transfer to semiconductors irradiated by ultrashort laser pulses-photoexcitation of bulk plasmon“, представен на конференция Advanced Laser Technologies 19 през септември, 2020 (INTERNATIONAL CONFERENCE / 15-20 September 2019 / Prague, Czech Republic)

По темата е публикувана статия със заглавие „Ultrafast energy absorption and photoexcitation of bulk plasmon in crystalline silicon subjected to intense near-infrared ultrashort laser pulses“, с автори T. Apostolova, B. Obreshkov, I. Gnilitskyi, Applied Surface Science, 2020, DOI: 10.1016/j.apsusc.2020.146087, Impact factor: 6.7

Получени са нови теоретични резултати за основните механизми определящи прага за свръхкъс оптичен пробив в силиций и е определена зависимостга на този праг от флуенса на лазерна енергия, продължителностга на импулса и направлението на поляризацията на лазера спрямо осите на кристала. Получени са резултати за модификацията на коефициентите на отражение и поглъщане на силиций в инфрачервената спектрална област. Освен промяната в оптичните свойства, е изследвано и индуцирането на високо вырешно налягане на изроден Ферми газ от електрони и дупки, което предизивиква свръхбързо топене на кристалната решетка.

По темата е приета за публикация статия със заглавие „Femtosecond optical breakdown in silicon“, с автори T. Apostolova, B. Obreshkov, Applied Surface Science, 2021, Impact factor: 6.7

Получени са нови резултати за генериране на хармонични в силиций след облъчване с мощен фемтосекунден лазерен импулс с дължина на вълната 800 нм. Изяснен е механизъма за генерация на четни хармончини чрез нискочестотно оптично коригиране на преминалия лазерен сноп. То от своя страна промодулира амплитудата на колебание на високо-честотната компонента на фото-индуцирания диполен момент за всеки два съседни полупериода на осцилации на електричното поле, и така стимулира раждането и на четни хармоници. Ефектът може да намери важно технологично приложение при разработката на компактни твърдотелни източници за генериране на ултравиолетови атосекундни лазерни импулси.

По темата е публикувана една статия със заглавие, Blueshifts of high-order harmonic generation in crystalline silicon subjected to intense femtosecond near-infrared laser pulse, с автори T. Apostolova, B. Obreshkov, Journal of Physics: Conference Series 1571 (2020) 012012, doi:10.1088/1742-6596/1571/1/012012, а втора статия със заглавие „High harmonic generation in crystalline silicon“, с автори T. Apostolova, B. Obreshkov, Europrean Journal of Physics D, Impact factor: 1.425 е приета за публикация статия и е под печат.

Обзорно са описани микроскопичните процесите, протичащи при свърбързата лазерна обработка на диамант в проведени експерименти и разработени теоретични модели.

По темата е приета за публикация статия, под печат със заглавие „Ultrafast laser processing of diamond materials: a Review“, с автори T. Apostolova, V. Kurylo, I. Gnilitskyi, Frontiers in Physics, 2021, DOI: 10.3389/fphy.2021.650280, Impact factor: 2.638

Популярна лекция „Мощни лазерни снопове и тяхното взаимодействие с вещества“