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标题：UnifyingtheorderanddisorderdynamicsinphotoexcitedVO2
文章简介
为了解决二氧化钒中的光致相变的争议，中科院半导体所骆军委研究团队和汪林望教授合作，使用含时密度泛函理论(rt-TDDFT)方法重现了飞秒激光脉冲诱导二氧化钒M1到R相的超快绝缘体-金属转变。跟踪相变中每个钒(V)原子的运动情况，他们发现通过激光强度可以控制相变过程中V原子的相干或无序运动。在低温绝缘体相，飞秒激光脉冲把大量电子从V-V二聚体成键态的价带激发到二聚体反成键态的导带，在V-V二聚体上产生使键变长的原子驱动力，在高强度激发下原子驱动力足够大，使得V-V二聚体的键变长直至所有V-V键具有相同的键长，此时二氧化钒处于金属R相。同时，热声子也会引起所有原子进行无序运动，在激光强度较弱光生原子驱动力不强的时候，相变时间比较长，热声子引起的原子无序运动显著，导致相变过程中V原子无序运动，在激光非常强的情况下，相变时间较短，热声子引起的原子无序运动不显著，相变过程中V原子以相干的形式运动。他们还揭示，在激光强到一定程度，V-V二聚体成键态上的价电子几乎全部耗尽，导致光生原子驱动力不再随激光强度的进一步增强而改变，导致相变时间不再减小，达到饱和。在理论上统一了光致相变的有序和无序动力学，并提供了完整的微观机制。上述模拟均在软件PWmat中实现，此软件利用GPU服务器架构，可加速rt-TDDFT计算。
该工作最近发表于PNAS(28),e2122534()上，博士生刘昊文和博士后刘文浩为共同一作，骆军委研究员和汪林望教授为通讯作者。
本文研究的有序和无序的光致相变机理，同时适用于其他材料。此团队以二维材料IrTe2为例，并揭示了无序相变中原子间关联效应对相变过程的影响，此工作发表于Phys.Rev.B,()。
以上工作得到了基金委杰出青年基金项目、中科院前沿科学重点研究计划、中科院战略性先导研究计划等的支持。
图1.VO2原子和电子结构。(A)M1相的超胞结构，其中dI和dII代表V-V长键和短键。灰色的平行六面体代表结构的晶胞。(B)M1相的成键态和反键态的示意图。(C)M1相的投影状态密度(PDOS)。(D)R相的超胞结构，其中所有V-V键(dR)相等。(E)R相的成键态和反键态的示意图。(F)R相的投影状态密度(PDOS)。
图2.不同电子激发下的光致超快相变过程。(A)键长随时间的演化。蓝色和红色分别代表长键和短键的键长。(B)原子无序度的演化。(C)V原子在相变过程中的声子模式，通过V-V键长的快速傅里叶变换(FFT)得到。
图3.在体系处于50K和K温度下，最大无序度作为电子激发的函数。
图4.1.0%电子激发的布拉格峰对时间依赖。红色菱形和黄色圆圈表示X射线衍射实验测量的R相峰和M1相峰的相对变化，实线是rt-TDDFT模拟的结果。
图5.轨道占据引起的原子微观驱动力变化。(A)不同激发下，光激发电子(红色阴影区域)和空穴(蓝色阴影区域)的占据。(B)V-V成键态的空穴数与相变时间的关系。(C,D)激光脉冲结束时(~35fs)在（
）面上光激发引起的空穴、电子和驱动力的实空间分布，(C)光激发1.0%价电子的情况，(D)光激发的2.3%价电子的情况。(E)由多个声子引起的原子无序运动。(F)强光激发引起的原子相干运动。橙色球代表一对V-V原子。FP表示由光激发引起的驱动力，FT表示由热振动引起的受力(虚线箭头)，FR表示合力(黑色实线箭头)。
背景介绍
二氧化钒红外材料因具有绝缘体-金属转变的特性被认为是未来电子业的革命性材料而受到广泛
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