從 20 世紀初期開始，量子理論變得尤為重要，對技術(shù)發(fā)展做出了重大貢獻。盡管量子理論取得了很大成功，但由于缺乏非平衡量子系統(tǒng)的框架，其應用主要限于平衡系統(tǒng)。隨著超短激光脈沖和自由電子加速器 X 射線的產(chǎn)生推動了整個非平衡超快動力學領(lǐng)域的發(fā)展。超快現(xiàn)象在物理、化學和生物等領(lǐng)域已被廣泛關(guān)注，例如光致相變、光誘導退磁、高能離子碰撞和分子化學反應等。近期，非平衡超快領(lǐng)域的實驗研究成果諸多發(fā)表于國際頂級期刊，該領(lǐng)域研究已成為當前的熱點話題。然而，實驗并不能給出原子尺度的原子/分子位移，對激發(fā)態(tài)動力學的理解存在諸多爭議。為了理解超快動力學現(xiàn)象，理論模擬至關(guān)重要。為推動超快領(lǐng)域的發(fā)展，和揭開超快動力學過程中的諸多謎團，近日，中科院半導體所的駱軍委研究團隊和汪林望研究團隊合作發(fā)展了一系列含時演化的算法，并將這些算法應用于不同的領(lǐng)域，其相關(guān)成果均發(fā)表于Science Advances，PNAS，Matter，PRB等國際期刊。

近期，他們將此算法應用到Si的（111）表面In線相變中，解決了實驗上的諸多爭議。Si的（111）表面上吸附單個銦原子層，在室溫下形成 Si（111）-（4×1）-In 兩個平行鋸齒形 In 鏈組成的量子線結(jié)構(gòu)（圖1b），具有金屬性質(zhì)。當溫度降低到125 K 以下，In 原子重新排列成具有 （8×2） 重構(gòu)的四重晶胞扭曲六邊形（圖1a），伴隨著周期性晶格畸變產(chǎn)生一維電荷密度波（CDW），并打開帶隙成為凝聚態(tài)物理中的絕緣體相（窄禁帶半導體） （圖1c ）。激光脈沖輻照可以實現(xiàn)硅上In線在半導體相與金屬相間的超快轉(zhuǎn)變。但是，激光脈沖輻照下的硅上In線在轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽w相變后其相干聲子振蕩快速衰減，沒有出現(xiàn)其他量子相變材料中普遍存在的兩個相間來回振蕩的現(xiàn)象。

為了研究硅上In線在光致相變后相干聲子振蕩快速衰減的微觀機理。他們利用含時密度泛函理論（rt-TDDFT）方法模擬了硅上In線（In/Si（111））在激光脈沖輻照下的動力學過程，在理論上重現(xiàn)了實驗中（圖1（g））觀察的半導體相轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘傧嗟某爝^程（圖1和圖2）。他們發(fā)現(xiàn)激光脈沖把硅中的價電子激發(fā)到In線的表面態(tài)S1和S2導帶，由于S1和S2能帶來自單個In鋸齒鏈上In dimer的成鍵態(tài)，光激發(fā)形成使該In dimer變長的原子力，驅(qū)動In原子朝著半導體相運動，在晶格周期下In原子的集成運動形成CDW相干聲子模式，從而導致結(jié)構(gòu)相變（圖3和圖4）。他們揭示，在轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽w相后，S1和S2能帶切換為跨越兩個鋸齒In鏈上的原子，這種能帶成分的轉(zhuǎn)換導致原子驅(qū)動力的方向旋轉(zhuǎn)約π/6，阻止了In原子在CDW聲子模式中的集體運動。從局域原子驅(qū)動力進行解釋，為光致相變過程提供了更加簡單的物理圖像，為實驗調(diào)控結(jié)構(gòu)相變提供了直觀的理論指導。上述模擬均可在PWmat軟件中實現(xiàn)。

相關(guān)研究成果以“Origin of Immediate Damping of Coherent Oscillations in Photoinduced Charge-Density-Wave Transition”為題發(fā)表于Phys. Rev. Lett上。論文共同第一作者為劉文浩博士和顧宇翔博士，通訊作者為駱軍委研究員和汪林望研究員。該工作得到了基金委杰出青年基金項目、中國科學院前沿科學重點研究計劃、中國科學院戰(zhàn)略性先導研究計劃等的支持。

論文全文鏈接：10.1103/PhysRevLett.130.146901

圖1. 光誘導半導體相（CDW）到金屬相相變的動力學模擬及實驗對比。

圖2. 原子結(jié)構(gòu)、原子受力和光激發(fā)電子分布隨時間的演化。

審核編輯 ：李倩