激子-聲子耦合作為凝聚態(tài)物質(zhì)中重要的多體相互作用，體現(xiàn)于激子吸收峰的重整化、聲子散射輔助的激子發(fā)光等現(xiàn)象。當激子-聲子相互作用足夠強時，激子會拖拽周圍的晶格，形成局域的晶格畸變，產(chǎn)生類似于電子或空穴的極化子的新量子態(tài)即自陷態(tài)激子。實驗中，自陷態(tài)激子多具有較大的展寬，并在光致發(fā)光譜中導致顯著的斯托克斯紅移。盡管自陷態(tài)激子在較多體系中已有實驗觀測，但自陷態(tài)激子的理論研究面臨挑戰(zhàn)。當前，高效而普適的自陷態(tài)激子理論計算框架仍然欠缺。

近日，中國科學院物理研究所/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SF10組博士生白云飛在副研究員王亞嫻、研究員孟勝的指導下，自主發(fā)展了用于研究絕緣體和半導體中的自陷態(tài)激子的第一性原理計算框架。這一框架通過結(jié)合多體Bethe-Salpeter方程與微擾理論相，能夠獲得模式和動量分辨的激子-聲子耦合矩陣元。利用激子能帶、聲子能帶和激子-聲子耦合矩陣元，可以自洽求解得到局域的自陷態(tài)激子波函數(shù)。同時，該方法可以計算自陷態(tài)激子的勢能面，預(yù)測其導致的斯托克斯紅移，具有普適性。

以二維磁性半導體鉻三鹵化物為例，該工作計算了體系中的自陷激子態(tài)的形成過程和斯托克斯紅移，且與實驗測量的光致發(fā)光譜吻合。同時，研究發(fā)現(xiàn)，計算得到的晶格畸變模式與瞬態(tài)吸收譜的測量一致。

上述成果為自陷態(tài)激子研究奠定了理論基礎(chǔ)，并對量子材料的超快光激發(fā)和激子的相干調(diào)控研究具有啟發(fā)意義。

相關(guān)研究成果以Ab Initio Self-Trapped Excitons為題，發(fā)表在《物理評論快報》（Physical?Review?Letters）上。研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中國科學院相關(guān)項目的支持。

論文鏈接

自陷態(tài)激子形成的Franck-Condon圖像