超快科学 | TDAP: 解码量子材料超快动力学的利器（音频版）

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导读

利用激光操控量子材料的宏观物性已经成为当今物质科学领域的研究热点，并深刻地改变着人们对各种粒子与准粒子相互作用的认识。然而，由激光导致的诸多非平衡动力学过程的微观机制尚不明确，特别是理论方面的研究还相当有限。含时密度泛函理论（TDDFT）及相关第一性原理计算方法的发展为研究超快时间尺度下广泛量子材料中的非线性响应提供了有效工具，有望成为探索强场物理的重要手段。

图1. 利用TDDFT处理耦合的电子-离子动力学演化的流程图

引用格式（点击阅读原文）

Mengxue Guan, Daqiang Chen, Shiqi Hu, Hui Zhao, Peiwei You, Sheng Meng, "Theoretical Insights into Ultrafast Dynamics in Quantum Materials", Ultrafast Science, vol. 2022, Article ID 9767251, 16 pages, 2022.

创造及控制量子材料的宏观性质对设计新的功能器件至关重要，而对不同粒子及准粒子（电子、声子、光子、极化子等）间相互作用的深入理解将为实现这一目标提供扎实的理论依据。随着激光技术的快速发展，高强度的超短脉冲以前所未有的时间分辨能力(飞秒甚至阿秒)为动态解耦和操纵微观相互作用提供了一条行之有效的路径。量子材料对强激光场的非线性响应将导致众多新奇现象的出现，包括高次谐波产生[Rev. Mod. Phys. 81, 163 (2009)]、非线性光电子发射[Adv. Mater. 31, 1805845 (2019)]、材料熔化和相变[ Rev. Mod. Phys. 93, 041002 (2021)]等。

然而，这些有趣的非平衡现象已经不能再用简单的线性响应理论来解释，发展一套能够描述非微扰区域下各种自由度动力学演化的理论方法成为众多研究者的目标。其中，含时密度泛函理论（TDDFT）通过求解含时Kohn-Sham方程，可以完全第一性地处理多粒子的相互作用及其含时演化。因此，TDDFT成为研究光致动力学一种有效可靠的方法，适用于探索广泛的强场物理及解码实验探测信号背后的微观机制[Phys. Rev. Lett. 52, 997 (1984)]。

图2. TDAP与其他软件包的比较

针对复杂系统中的光诱导激发态动力学问题，中国科学院物理研究所孟胜教授课题组发展了一套基于含时密度泛函理论的计算方法并开发了非绝热分子动力学模拟的程序包TDAP （http://tdap.iphy.ac.cn/）。该方法基于数值原子轨道基，仅用较少的基数目就可以很好地描述系统的电子态信息,大幅减小了计算量并可用于处理内壳层电子激发导致的非平衡过程。通过引入电磁场的长度及速度规范，可以描述不同维度材料体系在外场下的激发特性。相比于国际上其他较为流行的软件包（例如GPAW， ELK等），TDAP的功能实现更加全面、计算量更小（图2），适用于对大规模、真实材料体系超快动力学过程的精确模拟。

图3. 电荷密度波材料TiSe₂中电子结构的动态演化，及理论模拟与实验结果的比较（g）

除此之外，TDAP能够从多个维度（时间、空间、动量、能量）描述粒子及准粒子的动态演化，适用于研究激发态下载流子与光子、声子、磁振子、极化子的相互作用（图3）。该方法的发展对于理解光催化微观机理、设计光伏及光电器件、阿秒脉冲的合成与应用等诸多领域中的激发态动力学问题很有帮助。目前，众多的计算实例证明该方法具有强大的预言及解释实验结果的能力,有望成为物理、化学、材料学家研究广泛超快动力学过程的标准工具之一。

总结与展望

研究团队发展了一种基于数值原子轨道基的TDDFT模拟方法TDAP,用于对量子材料激发态的动力学过程进行大规模、精确的第一性原理模拟。该方法可对众多重要的物理化学现象进行研究,为理解和预测复杂材料在原子级空间尺度和阿秒时间尺度的量子相互作用与动力学行为提供了一个有力的工具。

作者介绍

关梦雪，中国科学院物理研究所博士后，从事凝聚态材料激发态量子动力学的理论研究。以第一作者在重要国际学术刊物Physical Review Letters、Nature Communications、Physical Review B等上发表多篇高质量学术论文。

孟胜，中国科学院物理研究所研究员。研究方向包括激发态量子动力学、表面量子相互作用、能量转化和存储微观机制、太阳能电池、原子尺度水特性等。累计发表论文 150 余篇，其中第一或通讯作者论文 120 余篇，论文共被引用 13,000 余次，H 因子为 59（根据google scholar, 2021年12月）。美国物理学会，材料研究会，化学会，生物物理学会和 Sigma Xi 研究会会员。2020年获得国家杰出青年科学基金支持。