Applied Physics A

, Volume 110, Issue 3, pp 519–528 | Cite as

Modeling of material properties after ultrashort laser and XUV excitation

  • Eeuwe S. Zijlstra
  • Fairoja Cheenicode Kabeer
  • Bernd Bauerhenne
  • Tobias Zier
  • Naira Grigoryan
  • Martin E. GarciaEmail author


By means of first principles calculations, we studied the possibility of manipulating structural properties of different materials via excitation with intense femtosecond laser or extreme ultraviolet (XUV) pulses. For silicon and boron-nitride nanotubes, we performed ab initio molecular dynamics simulations using the code CHIVES, developed in our group, to describe their laser-induced structural dynamics. For both materials, we determined the damage thresholds. We also investigated the structural response of magnesium and copper to ultrashort XUV excitation. For this purpose, we performed frozen-phonon calculations based on all-electron density functional theory and allowed the possibility of core-hole excitation. We found that Cu undergoes bond hardening and Mg bond softening upon creation of core holes and hot electrons, where we defined the bond strength by the vibrational frequencies.


Potential Energy Surface Electronic Temperature Radial Breathing Mode Core Hole Transverse Acoustic 
These keywords were added by machine and not by the authors. This process is experimental and the keywords may be updated as the learning algorithm improves.



We thank support by DAAD and by the German Federal Ministry for Education (BMBF) (project FSP 301-FLASH).


  1. 1.
    H.J. Zeiger, J. Vidal, T.K. Cheng, E.P. Ippen, G. Dresselhaus, M.S. Dresselhaus, Phys. Rev. B 45, 768 (1992) ADSCrossRefGoogle Scholar
  2. 2.
    R. Merlin, Solid State Commun. 1997(2–3), 207 (1997) ADSCrossRefGoogle Scholar
  3. 3.
    H.O. Jeschke, M.E. Garcia, K.H. Bennemann, Phys. Rev. B 60, R3701 (1999) ADSCrossRefGoogle Scholar
  4. 4.
    H.O. Jeschke, M.E. Garcia, K.H. Bennemann, J. Appl. Phys. 91, 18 (2002) ADSCrossRefGoogle Scholar
  5. 5.
    A. Cavalleri, Cs. Toth, C.W. Siders, J.A. Squier, F. Raksi, P. Forget, J.C. Kieffer, Phys. Rev. Lett. 87, 237401 (2001) ADSCrossRefGoogle Scholar
  6. 6.
    R. Kitagawa, H. Takebe, K. Morinaga, Appl. Phys. Lett. 82, 3641 (2003) ADSCrossRefGoogle Scholar
  7. 7.
    E.S. Zijlstra, N. Huntemann, M.E. Garcia, New J. Phys. 10, 033010 (2008) ADSCrossRefGoogle Scholar
  8. 8.
    M.S. Diakhate, M.E. Garcia, Phys. Rev. B 79, 094117 (2009) ADSCrossRefGoogle Scholar
  9. 9.
    P.L. Silvestrelli, A. Alavi, M. Parrinello, D. Frenkel, Phys. Rev. Lett. 77, 3149 (1996) ADSCrossRefGoogle Scholar
  10. 10.
    H.O. Jeschke, M.E. Garcia, M. Lenzner, J. Bonse, J. Krüger, W. Kautek, Appl. Surf. Sci. 197, 839 (2002) ADSCrossRefGoogle Scholar
  11. 11.
    A. Rousse, C. Rischel, S. Fourmaux, I. Uschmann, S. Sebban, G. Grillon, P. Balcou, E. Förster, J.P. Geindre, P. Audebert, J.C. Gauthier, D. Hulin, Nature 410, 65 (2001) ADSCrossRefGoogle Scholar
  12. 12.
    A.M. Lindenberg, J. Larsson, K. Sokolowski-Tinten, K.J. Gaffney, C. Blome, O. Synnergren, J. Sheppard, C. Caleman, A.G. MacPhee, D. Weinstein, D.P. Lowney, T.K. Allison, T. Matthews, R.W. Falcone, A.L. Cavalieri, D.M. Fritz, S.H. Lee, P.H. Bucksbaum, D.A. Reis, J. Rudati, P.H. Fuoss, C.C. Kao, D.P. Siddons, R. Pahl, J. Als-Nielsen, S. Duesterer, R. Ischebeck, H. Schlarb, H. Schulte-Schrepping, Th. Tschentscher, J. Schneider, D. von der Linde, O. Hignette, F. Sette, H.N. Chapman, R.W. Lee, T.N. Hansen, S. Techert, J.S. Wark, M. Bergh, G. Huldt, D. van der Spoel, N. Timneanu, J. Hajdu, R.A. Akre, E. Bong, P. Krejcik, J. Arthur, S. Brennan, K. Luening, J.B. Hastings, Science 308, 392 (2005) ADSCrossRefGoogle Scholar
  13. 13.
    E.S. Zijlstra, J. Walkenhorst, M.E. Garcia, Phys. Rev. Lett. 101, 135701 (2008) ADSCrossRefGoogle Scholar
  14. 14.
    G. Sciaini, M. Harb, S.G. Kruglik, T. Payer, C.T. Hebeisen, F.-J.M. zu Heringdorf, M. Yamaguchi, M.H. von Hoegen, R. Ernstorfer, R.J.D. Miller, Nature 458, 56 (2009) ADSCrossRefGoogle Scholar
  15. 15.
    M. Harb, R. Ernstorfer, C.T. Hebeisen, G. Sciaini, W. Peng, T. Dartigalongue, M.A. Eriksson, M.G. Lagally, S.G. Kruglik, R.J.D. Miller, Phys. Rev. Lett. 100, 155504 (2008) ADSCrossRefGoogle Scholar
  16. 16.
    T. Dumitricǎ, R.E. Allen, Phys. Rev. B 66, 081202(R) (2002) ADSGoogle Scholar
  17. 17.
    J.P. Callan, A.M.-T. Kim, L. Huang, E. Mazur, Chem. Phys. 251, 167 (2002) CrossRefGoogle Scholar
  18. 18.
    T. Dumitrica, M.E. Garcia, K.H.O. Jeschke, B.I. Yakobson, Phys. Rev. Lett. 92, 117401 (2004) ADSCrossRefGoogle Scholar
  19. 19.
    A.H. Romero, M.E. Garcia, F. Valencia, M. Terrones, H. Terrones, H.O. Jeschke, Nano Lett. 5, 1361 (2005) ADSCrossRefGoogle Scholar
  20. 20.
    K. Zickfeld, M.E. Garcia, K.H. Bennemann, Phys. Rev. B 59, 13422 (1999) ADSCrossRefGoogle Scholar
  21. 21.
    H.O. Jeschke, M.E. Garcia, J.A. Alonso, Chem. Phys. Lett. 352, 154 (2002) ADSCrossRefGoogle Scholar
  22. 22.
    P. Stampfli, K.H. Bennemann, Phys. Rev. B 42, 7163 (1990) ADSCrossRefGoogle Scholar
  23. 23.
    V. Recoules, J. Clérouin, G. Zérah, P.M. Anglade, S. Mazevet, Phys. Rev. Lett. 96, 055503 (2006) ADSCrossRefGoogle Scholar
  24. 24.
    E.S. Zijlstra, L.L. Tatarinova, M.E. Garcia, Phys. Rev. B 74, 220301(R) (2006) ADSCrossRefGoogle Scholar
  25. 25.
    P.L. Silvestrelli, A. Alavi, M. Parrinello, D. Frenkel, Phys. Rev. Lett. 77, 3149 (1996) ADSCrossRefGoogle Scholar
  26. 26.
    V.H. Crespi, N.G. Chopra, M.L. Cohen, A. Zettl, V. Radmilovic, Appl. Phys. Lett. 73, 2435 (1998) ADSCrossRefGoogle Scholar
  27. 27.
    A.H. Romero, H.O. Jeschke, A. Rubio, M.E. Garcia, Appl. Phys. A 79, 899 (2004) ADSCrossRefGoogle Scholar
  28. 28.
    H.O. Jeschke, A.H. Romero, M.E. Garcia, A. Rubio, Phys. Rev. B 75, 125412 (2007) ADSCrossRefGoogle Scholar
  29. 29.
    R. Ernstorfer, M. Harb, C.T. Hebeisen, G. Sciaini, T. Dartigalongue, R.J.D. Miller, Science 323, 1033 (2009) ADSCrossRefGoogle Scholar
  30. 30.
    R.W. Lee, H.A. Baldis, R.C. Cauble, O.L. Landen, J.S. Wark, A. Ng, S.J. Rose, C. Lewis, D. Riley, J.-C. Gauthier, P. Audebert, Laser Part. Beams 20, 527 (2002) ADSGoogle Scholar
  31. 31.
    H.J. Lee, P. Neumayer, J. Castor, T. Doppner, R.W. Falcone, C. Fortmann, B.A. Hammel, A.L. Kritcher, O.L. Landen, R.W. Lee, D.D. Meyerhofer, D.H. Munro, R. Redmer, S.P. Regan, S. Weber, S.H. Glenzer, Phys. Rev. Lett. 102, 115001 (2009) ADSCrossRefGoogle Scholar
  32. 32.
    B.I. Cho, K. Engelhorn, A.A. Correa, T. Ogitsu, C.P. Weber, H.J. Lee, J. Feng, P.A. Ni, Y. Ping, A.J. Nelson, D. Prendergast, R.W. Lee, R.W. Falcone, P.A. Heimann, Phys. Rev. Lett. 106, 167601 (2011) ADSCrossRefGoogle Scholar
  33. 33.
    W.H. Knox, D.S. Chemla, G. Livescu, J.E. Cunningham, J.E. Henry, Phys. Rev. Lett. 61, 1290 (1988) ADSCrossRefGoogle Scholar
  34. 34.
    S.L. Johnson, P. Beaud, C.J. Milne, F.S. Krasniqi, E.S. Zijlstra, M.E. Garcia, M. Kaiser, D. Grolimund, R. Abela, G. Ingold, Phys. Rev. Lett. 100, 155501 (2008) ADSCrossRefGoogle Scholar
  35. 35.
    J.A. van Vechten, R. Tsu, F.W. Tsaris, Phys. Lett. A 74, 422 (1979) ADSCrossRefGoogle Scholar
  36. 36.
    N.D. Mermin, Phys. Rev. 137, A1441 (1965) MathSciNetADSCrossRefGoogle Scholar
  37. 37.
    E.S. Zijlstra, N. Huntemann, A. Kalitsov, M.E. Garcia, U. von Barth, Model. Simul. Mater. Sci. Eng. 17, 015009 (2009) ADSCrossRefGoogle Scholar
  38. 38.
    S. Goedecker, M. Teter, J. Hutter, Phys. Rev. B 54, 1703 (1996) ADSCrossRefGoogle Scholar
  39. 39.
    P. Blaha, K. Schwarz, G.K.H. Madsen, D. Kvasnicka, J. Luitz, WIEN2k, an Augmented Plane Wave + Local Orbitals Program for Calculating Crystal Properties (Karlheinz Schwarz, Techn. Universität, Wien, Austria, 2001) Google Scholar
  40. 40.
    C.V. Shank, R. Yen, C. Hirlimann, Phys. Rev. Lett. 50, 454 (1983) ADSCrossRefGoogle Scholar
  41. 41.
    L. Shokeen, K. Schelling, J. Appl. Phys. 109, 073503 (2011) ADSCrossRefGoogle Scholar
  42. 42.
    J. Jellinek, T.L. Beck, R.S. Berry, J. Chem. Phys. 84, 2783 (1986) ADSCrossRefGoogle Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag 2012

Authors and Affiliations

  • Eeuwe S. Zijlstra
    • 1
    • 2
  • Fairoja Cheenicode Kabeer
    • 1
    • 2
  • Bernd Bauerhenne
    • 1
    • 2
  • Tobias Zier
    • 1
    • 2
  • Naira Grigoryan
    • 1
    • 2
  • Martin E. Garcia
    • 1
    • 2
    Email author
  1. 1.Theoretical PhysicsUniversity of KasselKasselGermany
  2. 2.Center for Interdisciplinary Nanostructure Science and Technology (CINSaT)KasselGermany

Personalised recommendations