光激发电荷密度波材料的超快动力学的理论研究

Charge density wave (CDW) is an important type of macroscopic quantum phenomena in condensed matter physics. Applying the experimental methods including the optical pump-probe technique and time-resolved angle-resolved photoemission spectroscopy to study the ultrafast dynamics processes in the optical-excited CDW materials could provide highly valuable information to understand the interactions between different physics degrees of freedom and the formation mechanism of CDW phenomena. The rapid progress in experimental explorations also calls for developing effective theoretical model to analyze and explain experimental results. In this project, based on our previous research results, we plan to apply the non-equilibrium quantum statistical approaches to the microscopic quantum models of CDW materials, and establish the dynamical equations of oder parameter to study the ultrafast dynamics in CDW materials. We aims to understand the generation and evolution of the physics objects including the coherent phonon, collective excitation modes, topological defects etc., and the impact of electronic correlation and excitonic effect on these dynamical processes. We will also explain and simulate the relevant experimental results in order to finally realize the ultrafast quantum control of CDW materials.

电荷密度波是凝聚态物理中一类重要的宏观量子现象。运用光学泵浦－探测技术或者含时角分辨光电子能谱等实验方法，研究电荷密度波材料受光激发后的超快动力学过程，为理解其中不同物理自由度间的相互作用以及电荷密度波现象的形成机理，提供了非常有价值的信息。实验方面的快速进展也迫切需要发展有效的理论模型对实验结果进行分析和解释。本项目拟在前期工作的基础上，从电荷密度波材料的微观量子模型出发，运用非平衡量子统计方法，建立序参量所满足的动力学方程，以研究光激发电荷密度波材料中的超快动力学，理解相干声子、集体激发模式、拓扑缺陷等物理对象的产生与演化，以及电子关联或激子效应对这些动力学过程的影响，并对相关的实验结果进行解释和模拟，以最终实现对电荷密度波材料的超快量子调控。

电荷密度波材料是一类重要的量子材料，其电荷密度波相常由电声子作用引起。通过研究电荷密度波材料受光激发后所产生的超快动力学过程，可以揭示出这类材料中电声子耦合甚至关联效应所扮演的角色。本项目主要通过第一性原理计算与含时Ginzburg-Landau方程等方法，从理论上研究了多种材料的电子能带结构以及超快动力学响应性质。主要结果包括：1. 飞秒激光脉冲可以在电荷密度波材料中实现拓扑缺陷的写入与擦除，而且写入位置与数目与激光强度、材料的光穿透深度、弛豫时间、震荡频率、相干长度有关；2. 得到了1T-TaS2与1T-NbSe2的第一性原理计算电子能带结构，并构造了相应的紧束缚模型来复现电荷密度波序导致的平带结构；3. 双层过渡金属硫化物的层间耦合与其堆叠方式密切相关，且将影响层间电荷转移、层间激子等超快动力学过程；4. 发现基于双壁碳管的纳米马达的吸收光谱与马达运动状态密切相关，光谱变化可达数百毫电子伏量级；以及碳化硅量子点的自束缚激子可导致巨大的斯托克斯位移。这些结果有助于理解电荷密度波材料中的超快动力学过程，并可用于设计新型光电子器件。