半导体材料中明暗激子跃迁的动力学

一个研究小组发现了锐钛矿型TiO2中明暗激子跃迁的动力学。他们的研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上。

激子是凝聚态物质系统中的电子和空穴通过库仑相互作用结合形成的准粒子，表现出亮激子和暗激子的独特特性。亮激子直接与光耦合并在光吸收中发挥关键作用，而暗激子因其相对较长的寿命，在量子信息处理、玻色-爱因斯坦凝聚和光能收集中具有重要意义。

该研究由中国科学技术大学赵进教授和郑其晶副教授领导，匹兹堡大学教授HrvojePetek合作。

该研究利用GW加上实时Bethe–Salpeter方程，结合非绝热分子动力学(GW+rtBSE-NAMD)，探索了锐钛矿TiO2(a半导体材料以其卓越的光吸收能力和在光激发下激活明亮激子的能力而闻名)。由于材料的间接带隙性质，亮激子最终弛豫到带边缘，形成暗激子。

考虑到激子内的多体效应——电子和空穴之间的相互作用，明暗激子跃迁展示了一条新的途径。这一发现揭示了过渡过程的延长时间尺度，亮激子在大约100飞秒内转变为暗激子，比之前理解的要快几倍。至关重要的是，激子内的多体效应在这一转变过程中发挥了关键作用。

这项研究揭示了半导体材料的激子动力学如何受到多体相互作用的影响，为设计基于光的设备和能源材料提供了重要的见解。它还体现了在揭示激子复杂动力学方面的协作努力和创新计算方法，为材料科学和技术的进步铺平了道路。