Für die technologische Nutzung der Licht-Materie-Wechselwirkungen im Femtosekundenbereich spielen häufig Schichtsysteme eine große Rolle, in denen auf kleinsten räumlichen und zeitlichen Skalen schnelle elektronische Prozesse für eine Umverteilung der Energie sorgen. Die zugrundeliegenden Stoßprozesse und ihr gegenseitiger dynamischer Einfluss aufeinander geben dabei Einblick in die fundamentalen Wechselwirkungen angeregter Quasiteilchen in Festkörpern.

In diesem Projekt wird die Dynamik angeregter Elektronen in einem dünnen Metallfilm auf einem isolierenden Substrat theoretisch untersucht. Die Elektronen des Metalls befinden sich während und nach der Anregung in einem Zustand weitab vom thermodynamischen Gleichgewicht. Um die anschließenden Relaxationsprozesse und ihren wechselseitigen Einfluss aufeinander zu verstehen, wird mittels gekoppelter Boltzmann’scher Stoßintegrale berechnet, wie sich die energieabhängigen Verteilungsfunktionen der berücksichtigten Elektronenbänder und der Phononen im Laufe der Zeit verändern. Dabei werden die Leitungselektronen im Metallfilm am Beispiel von Gold in zwei Subsysteme mit grundsätzlich unterschiedlichen Eigenschaften hinsichtlich Orbitalzustand und Beweglichkeit aufgeteilt, jeweils ein System mit sp- und eins mit d-artigen Elektronen. Neben dem Energieaustausch untersuchen wir auch die Dynamik der Besetzungsdichte dieser beiden Bänder.

Mittels ab-initio Rechnungen aus der Dichtefunktionaltheorie (DFT) werden fundierte Ausdrücke für die Kopplungsstärken der Subsysteme untereinander sowie an der Grenzschicht zum Substrat hergeleitet. Das dielektrische Substrat kann dabei zusätzliche Wechselwirkungskanäle bieten und somit einen starken Einfluss auf die Elektronendynamik und Energiekonversion im Metallfilm haben.

Ein Kernziel dieses Projektes ist es, ein verbessertes Verständnis über die mikroskopischen Wechselwirkungen verschiedener elektronischer und phononischer Bänder und das Ineinandergreifen der damit verbundenen Relaxationsprozesse in Schichtsystemen zu entwickeln. Das verwendete Schichtsystem aus einem Metallfilm aus Gold auf einem isolierendem Substrat ist auch für experimentelle Untersuchungen leicht zugänglich und kann erweitert werden, um komplexere Zusammensetzungen aus zum Beispiel magnetischen Materialien oder viellagige Heterostrukturen zu betrachten.