物理所在光激發(fā)VO2超快電子相變和結(jié)構(gòu)相變的動力學(xué)解耦研究中取得進展

　　【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】二氧化釩(VO₂)是一種典型的強關(guān)聯(lián)材料。在溫度約為340K時，VO₂會經(jīng)歷從絕緣性單斜相(M₁-VO₂)到金屬性金紅石相(R-VO₂)的一級相變過程。強關(guān)聯(lián)材料中電荷、晶格、軌道和自旋等自由度強烈地耦合在一起，這使得VO₂絕緣體-金屬相變存在多種相變機制。
 

　　超快激光脈沖通過激發(fā)固體材料的價電子可以快速改變原子的勢能面，因此激光輻射已經(jīng)成為一種誘導(dǎo)強關(guān)聯(lián)材料相變的有效途徑，比如激光輻射可以使M₁-VO₂在500fs內(nèi)發(fā)生非熱的結(jié)構(gòu)相變。但是實驗上通常很難直接同時觀測結(jié)構(gòu)相變和絕緣體-金屬相變中的超快原子和電子動力學(xué)，因此對于VO₂的超快結(jié)構(gòu)相變和絕緣體-金屬相變的相變機制，以及兩種相變能否脫耦仍然存在巨大爭議。
 

　　近日，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實驗室研究人員利用自主開發(fā)的激發(fā)態(tài)動力學(xué)模擬軟件TDAP，研究了激光誘導(dǎo)M₁-VO₂到R-VO₂的超快結(jié)構(gòu)相變和絕緣體-金屬相變，揭示了超快尺度上的非平衡相變機制。激發(fā)態(tài)動力學(xué)模擬可以追蹤光誘導(dǎo)VO₂結(jié)構(gòu)相變和絕緣體-金屬相變的超快過程，直接證明飛秒尺度上兩種相變的解耦合行為。
 

　　在這種動力學(xué)過程中，激光將M1-VO2 d||帶上的價電子激發(fā)到導(dǎo)帶上，d||帶上產(chǎn)生的空穴可以引起V-V對的擴張和V-V-V扭轉(zhuǎn)角的增加，從而驅(qū)動M₁-VO₂到R-VO₂的結(jié)構(gòu)相變(圖1、圖2)。計算模擬得到的結(jié)構(gòu)相變速率與激發(fā)強度的依賴關(guān)系，與超快實驗數(shù)據(jù)符合得很好?；陔s化密度泛函的激發(fā)態(tài)動力學(xué)模擬證明了在M₁-VO₂構(gòu)型下可以出現(xiàn)等同結(jié)構(gòu)的絕緣體-金屬相變(圖3)。M₁-VO₂中的空穴會引起間隙能級在帶隙中的填充，從而引起帶隙的消失。更高強度的光激發(fā)可以引起d||帶的明顯上移。模擬得到的結(jié)構(gòu)相變和絕緣體-金屬相變的激發(fā)閾值基本上是相同的，而結(jié)構(gòu)相變和電子相變存在著數(shù)百飛秒的時間延遲，這導(dǎo)致了金屬型M1-VO2瞬態(tài)和等同結(jié)構(gòu)電子相變的出現(xiàn)(圖4)。
 

　　該工作揭示了VO₂超快結(jié)構(gòu)相變和絕緣體-金屬相變過程中不同的超快機制，澄清了以往對于VO2是否存在等同原子結(jié)構(gòu)的電子相變的爭議，并提供了研究強關(guān)聯(lián)材料非平衡動力學(xué)的新方法。
 

　　相關(guān)成果近期發(fā)表在Science Advances上。研究工作受到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委和中科院的資助。
 

　　圖1 VO₂原子結(jié)構(gòu)圖和光激發(fā)電子躍遷過程。(A)低溫絕緣型M₁-VO₂和(B)高溫金屬型R-VO2的原子結(jié)構(gòu)圖。釩原子和氧原子分別以綠色和橙色顯示。(C)脈沖電場強度E0為0.20 V/的800nm激光脈沖，以及其激發(fā)M₁-VO₂中的光生空穴密度隨時間的演變。(D)光激發(fā)有效空穴密度與激光脈沖電場強度E0的關(guān)系。
 

　　圖2 光激發(fā)M₁-VO₂到R-VO₂相變原子動力學(xué)。(A)不同激發(fā)強度下V-V長鍵和V-V短鍵平均長度的時間演變。(B)不同激發(fā)強度下平均V-V-V扭曲角的時間演化。(C)0.64 e/f.u激發(fā)強度下的差分電荷密度圖。黃色區(qū)域?qū)?yīng)于電子增加，青色區(qū)域?qū)?yīng)于電子減少。(D)光激發(fā)結(jié)構(gòu)相變時間常數(shù)與實驗數(shù)據(jù)的比較。
 

　　圖3 光激發(fā)M₁-VO₂的電子動力學(xué)。(A)不同激發(fā)強度下M₁-VO₂的電子態(tài)密度。(B)雜化泛函非絕熱模擬中電子激發(fā)量的演化。在E0=0.14 V/ 下t= 20 fs(C)和t = 40 fs(D)時的電子占據(jù)和態(tài)密度。

 

　　圖4 光誘導(dǎo)M₁-VO₂超快相變示意圖。初始的絕緣相M₁-VO₂(t = -100 fs)在t = 0 fs時被激光脈沖激發(fā)。光激發(fā)誘導(dǎo)M₁-VO₂發(fā)生等同原子結(jié)構(gòu)的絕緣體-金屬相變(10 fs內(nèi))，而結(jié)構(gòu)相變在100至300 fs的時間尺度內(nèi)發(fā)生。