中国科大发展基于第一性原理的动量空间载流子动力学方法

中国科学技术大学物理学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心赵瑾教授、郑奇靖副教授在自主知识产权的计算软件Hefei-NAMD中实现了针对动量空间载流子动力学实时演化的第一性原理计算方法，该成果以“Ab initio Real-Time Quantum Dynamics of Charge Carriers in Momentum Space”为题，发表在Nature Computational Science上。

图一 石墨烯k空间热电子弛豫动力学

固体材料中的载流子动力学是凝聚态物理中的重要问题，决定了光电、光伏、谷电子学、自旋电子学等器件的效率，从时间、空间、能量和动量等多个维度来理解和研究载流子动力学一直是科学家们追求的目标。然而，在以往的第一性原理非绝热分子动力学模拟中，由于人们使用绝热基组，不同k点的非绝热耦合等于零，无法直接模拟动量空间（k空间）的载流子动力学过程。在本论文中，赵瑾、郑奇靖团队通过在简谐近似下将电子态波函数用透热基组展开，将电声耦合矩阵元直接引入哈密顿量，用以代替之前从分子动力学计算出发得到的非绝热耦合矩阵，从而在Hefei-NAMD中实现了动量空间real-time载流子量子动力学的模拟（方法简称NAMD_k）。与过去的非绝热分子动力学方法相比，NAMD_k方法不需要使用超胞进行分子动力学计算，只需要利用单胞计算电声耦合即可，大幅度降低了计算量。另外，这种方法除了可以模拟电子/空穴在动量空间的动力学过程，还可以得到载流子弛豫过程中声子激发的信息，从而为光致相变以及光催化的研究提供有力的工具。

在本文中他们用最新发展的方法研究了石墨烯材料热电子弛豫的动力学过程。他们发现石墨烯中的热电子弛豫存在一个0.2 eV的激发阈值，当热电子初始激发能量大于0.2 eV时，无论是热电子能量弛豫还是K-K’的谷间散射，发生的时间尺度都在皮秒量级，此时电子耦合的是能量较高的光学支声子；当激发能小于0.2 eV时，电子只能与较低能量的声学支声子耦合，能量弛豫与谷间散射的时间尺度都会加长到纳秒量级。本工作为研究材料中的载流子在动量空间中的动力学行为提供了有力的工具，也为研究光致相变、光催化提供了可能的技术手段。