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　　在完美晶格中，由于電子與其他集體激發(fā)的相互作用，晶格會(huì)發(fā)生周期性畸變，從而形成電荷密度波(charge density wave)或稱電荷序。通常情況下，電荷密度波的形成可能來自于電子費(fèi)米面嵌套、電聲耦合或其他尚未探明的因素。電荷密度波的形成機(jī)理仍是凝聚態(tài)物理的熱點(diǎn)問題，并與超導(dǎo)等量子現(xiàn)象息息相關(guān)。
　　材料中的電子是一個(gè)關(guān)聯(lián)體系，有各種復(fù)雜的相互作用，蘊(yùn)含著新型的電荷密度波機(jī)理。特別是層狀材料二硒化鈦（TiSe2）中，不僅存在由激子誘導(dǎo)的電荷密度波，而且會(huì)在摻雜和應(yīng)力調(diào)制時(shí)出現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)，因此受到了廣泛的關(guān)注。對(duì)其電荷密度波機(jī)理的分析研究，既可以為研究“電荷密度波態(tài)-超導(dǎo)態(tài)”轉(zhuǎn)變提供思路，又為可能存在的激子氣體的玻色-愛因斯坦凝聚現(xiàn)象提供研究平臺(tái)。
　　然而，在二硒化鈦中，激子和聲子存在復(fù)雜的耦合，現(xiàn)有的研究手段往往會(huì)“胡子眉毛一把抓”，無法明確區(qū)分二者在電荷密度波形成過程中所起的作用。近些年有人提出，可以用激光使激子和聲子“動(dòng)”起來，然后利用超快技術(shù)分別進(jìn)行研究。由于激子的響應(yīng)時(shí)間短，聲子的響應(yīng)時(shí)間長，在時(shí)域上就可以清晰地分辨出不同機(jī)理所起的作用。然而，超快譜學(xué)測(cè)量無法同時(shí)提供有超快時(shí)間分辨和原子級(jí)空間分辨的信息，致使二硒化鈦中電荷密度波的形成機(jī)理仍然存在很多爭議。
　　為解決這一爭議，具有原子分辨率的第一性原理量子動(dòng)力學(xué)模擬就體現(xiàn)出其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)又面臨諸多挑戰(zhàn)。二硒化鈦中的電荷密度超快動(dòng)力學(xué)，涉及到光子-電子-聲子的相互作用。這幾種粒子（準(zhǔn)粒子）的響應(yīng)時(shí)間從阿秒（10-18秒）、飛秒（10-15秒）到皮秒（10-12秒）不等，跨度約為6個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，模擬既需要精細(xì)的時(shí)間分辨率，又需要很高的計(jì)算效率和數(shù)值穩(wěn)定性。同時(shí)，對(duì)二硒化鈦的精確模擬需要利用到精確的第一性原理計(jì)算技術(shù)，例如自旋軌道耦合和投影綴加波方法等。這些困難對(duì)現(xiàn)有的計(jì)算方法提出了多項(xiàng)挑戰(zhàn)。
　　最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心表面物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室SF10組的廉超（現(xiàn)為德州大學(xué)奧斯汀分校博士后）在研究員孟勝的指導(dǎo)下，利用數(shù)年時(shí)間，持續(xù)編寫和測(cè)試了完全自主研發(fā)的含時(shí)密度泛函軟件包TDAP，解決了一系列物理問題、效率問題和數(shù)值穩(wěn)定性問題，將其發(fā)展為高效、穩(wěn)定、精確的含時(shí)密度泛函模擬工具。利用這一軟件包，在孟勝的指導(dǎo)下，廉超與張圣杰、關(guān)夢(mèng)雪、胡史奇合作，對(duì)激光激發(fā)二硒化鈦的超快動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了同時(shí)具有超快時(shí)間分辨和原子精度空間分辨的第一性原理計(jì)算，發(fā)現(xiàn)了其電荷密度波形成的激子-聲子的自放大機(jī)制（圖1），為電荷密度波研究提供了新的思路。相關(guān)成果近日發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications 11，43（2020））上。
　　在這項(xiàng)研究中，基態(tài)的二硒化鈦中會(huì)出現(xiàn)自發(fā)的電荷密度波，如圖2所示。激光激發(fā)后，其電荷序會(huì)瞬間（<10 飛秒）被破壞，觸發(fā)離子向其周期畸變（periodic lattice distortion）的反向運(yùn)動(dòng)。在較強(qiáng)的激光照射下，甚至可以實(shí)現(xiàn)晶格周期畸變的完全反轉(zhuǎn)。這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了激子對(duì)電荷密度波的穩(wěn)定性起作用。然而，單一的激子作用并不能完全產(chǎn)生電荷密度波：即使在能實(shí)現(xiàn)完全的周期畸變反轉(zhuǎn)時(shí)，激光本身只能破壞20%而非100%的電荷序。
　　深入的第一性原理動(dòng)力學(xué)模擬研究表明，傳統(tǒng)的電聲耦合會(huì)和激子機(jī)制形成自放大，從而共同形成穩(wěn)定的電荷密度波，如圖3所示。通過設(shè)計(jì)一個(gè)外部熱浴對(duì)離子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行緩慢的退火，可以發(fā)現(xiàn)即使退火速度極低，周期畸變的運(yùn)動(dòng)也會(huì)被完全凍結(jié)。這就說明周期畸變的動(dòng)力學(xué)過程對(duì)初始階段的離子運(yùn)動(dòng)有著非常敏感的初值依賴：當(dāng)初始時(shí)微小的離子運(yùn)動(dòng)被熱浴耗散以后，后續(xù)的周期畸變的運(yùn)動(dòng)將無法發(fā)生。周期畸變的恢復(fù)和反轉(zhuǎn)，需要“電荷序破壞--離子運(yùn)動(dòng)--加劇電荷序破壞--更大幅度的離子運(yùn)動(dòng)”這一自放大過程來實(shí)現(xiàn)。通過計(jì)算能帶的含時(shí)演化，可以觀測(cè)到這一過程的時(shí)間尺度約為100飛秒，并與含時(shí)角分辨電子譜的實(shí)驗(yàn)測(cè)量能夠很好地吻合。這項(xiàng)研究提出了一種凝聚態(tài)物質(zhì)中電荷序形成的新機(jī)制，為澄清一直處于爭論之中的二硒化鈦電荷密度波機(jī)理問題提供了新思路。
　　該工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFA0300902，2015CB921001）和國家自然科學(xué)基金委（11774396, 91850120, 11934004）的支持。
　　圖1. 電荷密度波形成的自放大機(jī)制
　　圖2. 二硒化鈦中的電荷序。（a）和（b）為原子結(jié)構(gòu)圖，箭頭展示周期晶格畸變的大小和方向。（c）為電荷序形成前的能帶圖（背景為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)），展示激子吸引效應(yīng)。（d-f）顯示光激發(fā)導(dǎo)致的電荷密度變化。（d）圖和（e）圖分別為考慮和不考慮晶格畸變的情況，（f）為兩者之差。紅色為得電子，藍(lán)色為失電子。
　　圖3. 二硒化鈦中的離子勢(shì)能（a’）和能帶（a-g）的含時(shí)演化。（b‘）為不同激光強(qiáng)度下的載流子數(shù)隨時(shí)間的變化，（c’）為最大載流子數(shù)與激光強(qiáng)度的關(guān)系（方塊：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；圓點(diǎn)：理論結(jié)果）。