孟胜团队突破自陷态激子计算难题，为半导体材料创新开辟新路径

孟胜团队突破自陷态激子计算难题，为半导体材料创新开辟新路径

引用

中国科学院

等

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来源

1.

https://www.cas.cn/syky/202410/t20241025_5037340.shtml

2.

https://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/202410/t20241022_7405596.html

3.

https://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/202408/t20240812_7261755.html

4.

https://new.qq.com/rain/a/20241022A07B2500

5.

https://www.cpsjournals.cn/index/news/detail/52432

近日，中国科学院物理研究所研究员孟胜带领团队在新型半导体材料研究领域取得重大突破。他们首次提出了自陷态激子的第一性原理计算框架，为半导体材料的性能优化和应用拓展开辟了新的路径。

在凝聚态物质中，激子-声子耦合是一种重要的多体相互作用。当这种相互作用足够强时，激子会拖拽周围的晶格，形成局域的晶格畸变，产生一种新的量子态——自陷态激子。这种现象在实验中通常表现为光致发光谱中的显著斯托克斯红移。

尽管自陷态激子在多个体系中已有实验观测，但其理论研究一直面临巨大挑战。传统的GW+BSE方法在大尺寸超胞中的计算量巨大，而常规方法又无法给出包含激子效应的原子受力。因此，开发高效、普适的自陷态激子理论计算框架成为该领域亟待解决的问题。

孟胜团队自主发展了一种全新的第一性原理计算框架，该框架将多体Bethe-Salpeter方程与微扰理论相结合，实现了模式和动量分辨的激子-声子耦合矩阵元的计算。通过这一方法，研究者能够自洽求解得到局域的自陷态激子波函数，包括局域的激子波函数和晶格畸变。

这一计算框架的创新性在于：

1. 首次将多体Bethe-Salpeter方程与微扰理论相结合
2. 能够同时计算激子能带、声子能带和激子-声子耦合矩阵元
3. 可以预测自陷态激子导致的斯托克斯红移
4. 具有普适性，适用于不同类型的半导体材料

为了验证这一理论框架的有效性，研究团队选择了二维磁性半导体铬三卤化物作为研究对象。计算结果显示，该材料中的自陷激子态形成过程和斯托克斯红移与实验测量的光致发光谱高度吻合。此外，计算得到的晶格畸变模式也与瞬态吸收谱的测量结果一致。

这一研究成果不仅为自陷态激子的研究奠定了理论基础，还为量子材料的超快光激发和激子的相干调控提供了重要启发。未来，该计算框架有望应用于更多新型半导体材料的研究，推动量子器件和光电器件的性能优化。

孟胜研究员表示，这一突破得益于国家自然科学基金、国家重点研发计划和中国科学院相关项目的大力支持。相关研究成果已发表在物理学顶级期刊《物理评论快报》上，题为“Ab Initio Self-Trapped Excitons”。

这一重要进展不仅展现了我国在凝聚态物理研究领域的实力，更为未来半导体材料的创新发展提供了新的思路和工具。