Simulation of steady-state and ultrafast transport of charge, spin, and orbital angular momenta

Abstract

This cumulative thesis reports on the simulation of electron transport in different regimes. One part examines steady-state transport phenomena where an applied electric field generates transverse currents carrying charge, spin, or orbital angular momenta. The microscopic origin of these anomalous, spin, and orbital Hall effects are studied in two-dimensional kagome magnets using tight-binding models and the Berry curvature formalism. The other part investigates ultrafast electron dynamics induced by femtosecond laser pulses. Using an one-electron density matrix approach and real-space tight-binding calculations, I simulate the time evolution during laser excitation with atomic resolution. The roles of sample composition, interfaces, and light polarization for the generation, manipulation, and transfer of spin and orbital angular momenta are investigated in samples consisting of copper and cobalt exposed to varying laser polarizations.

Diese kumulative Arbeit berichtet über die Simulation des Elektronentransports in verschiedenen Regimen. In einem Teil wird zeitunabhängiger Transport untersucht, bei dem ein äußeres elektrisches Feld transversale Ströme erzeugt, die Ladung, Spin oder Bahndrehimpuls tragen. Der mikroskopische Ursprung dieser anomalen, spin und orbitalen Hall-Effekte wird in zweidimensionalen Kagome-Magneten mittels Tight-Binding-Modellen und dem Berry-curvature-Formalismus untersucht. Der zweite Teil behandelt ultraschnelle Elektronendynamik, die durch Femtosekunden-Laserpulse induziert wird. Über einen Ein-Elektronen-Dichte-Matrix-Ansatzes und Realraum-Tight-Binding-Rechnungen simuliere ich die Zeitentwicklung während der Laseranregung mit atomarer Auflösung. Die Rolle von Zusammensetzung, Grenzflächen und Lichtpolarisation für die Erzeugung, Manipulation und Transfer von Spin und Bahndrehimpulsen wird in Proben aus Kupfer und Kobalt untersucht, die unterschiedlicher Laserpolarisation ausgesetzt sind.