[论文解读] Electronic and structural fingerprints of charge density wave excitations in extreme ultraviolet transient absorption spectroscopy

Tobias Heinrich, Hung-Tzu Chang+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2022

Molecular Junctions and Nanostructures被引用 4

一句话总结

本研究在Ti M₂,₃边引入桌面式极紫外（XUV）瞬态吸收光谱，同时探测1T-TiSe₂中的电子与晶格动力学，揭示了电荷密度波（CDW）激发。通过结合飞秒XUV探测与含时密度泛函理论（TDDFT）模拟，识别出相干A₁g光学声子（6.0 THz）与A₁g* CDW振幅模（3.3 THz），并提取出载流子弛豫（360 fs）与声子加热（1.0 ps）的时间尺度，同时确定了原子位移振幅与方向。

ABSTRACT

Femtosecond core-level transient absorption spectroscopy is utilized to investigate photoinduced dynamics of the charge density wave in 1T-TiSe2 at the Ti M2,3 edge (30-50 eV). Photoexcited carriers and phonons are found to primarily induce spectral red-shifts of core-level excitations, and a carrier relaxation time and phonon heating time of approximately 360 fs and 1.0 ps are extracted, respectively. Pronounced oscillations in delay-dependent absorption spectra are assigned to coherent excitations of the optical $A_{1g}$ phonon (6.0 THz) and the $A_{1g}^*$ charge density wave amplitude mode (3.3 THz). By comparing the measured spectra with time-dependent density functional theory simulations, we determine the directions of the momentary atomic displacements of both coherent modes and estimate their amplitudes. This work presents a first look on charge density wave excitations with table-top core-level transient absorption spectroscopy, enabling simultaneous access to electronic and lattice excitation and relaxation.

研究动机与目标

• 开发一种桌面式XUV瞬态吸收技术，能够同时探测量子材料中的电子与晶格动力学。
• 利用Ti M₂,₃边（30–50 eV）的内壳层光谱学研究1T-TiSe₂中光激发的电荷密度波（CDW）激发。
• 从瞬态吸收光谱中分离光生载流子与相干声子的贡献。
• 通过光谱指纹与原子位移分析，识别并表征相干模式——特别是A₁g光学声子与A₁g* CDW振幅模。
• 利用时间分辨数据与TDDFT模拟，提取热电子冷却与声子加热的定量弛豫时间尺度。

提出的方法

• 飞秒近红外激光脉冲（40 fs，2 μm）激发1T-TiSe₂，随后通过氩气填充气体池中的高次谐波产生（HHG）实现时间延迟的极紫外（XUV）探测。
• 利用双色驱动场（800 nm及其二次谐波）产生XUV辐射（25–50 eV），生成间隔为1.55 eV的离散谐波。
• 瞬态吸收通过ΔOD = OD_pumped − OD_unpumped测量，通过同时从HHG源获取参考光谱实现噪声抑制。
• 采用FP-LAPW方法与PBE泛函进行含时密度泛函理论（TDDFT）模拟，包含局域场效应以模拟内壳层跃迁与原子位移。
• 光谱拟合采用多组分模型，包含电子弛豫（指数衰减）、声子浴加热（阶跃式上升）以及具有阻尼的相干声子振荡（带相位偏移的正弦衰减）。
• 基于DFT优化结构，推导A₁g与A₁g*模式的原子位移，其振幅与方向依据对称性与模拟光谱位移确定。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Ti M₂,₃边光激发后，1T-TiSe₂的瞬态吸收光谱中，电子与晶格的贡献有何区别？
• RQ2 具体而言，被激发的相干振动模式——特别是A₁g光学声子与A₁g* CDW振幅模——是什么？其频率与振幅如何？
• RQ3 光生载流子与晶格声子的弛豫动力学如何随时间演化？其特征时间尺度为何？
• RQ4 能否通过从头计算模拟，从XUV吸收光谱中确定相干模式中原子位移的方向与大小？
• RQ5 桌面式XUV瞬态吸收光谱在多大程度上能够分辨电荷密度波材料中耦合的电子与结构动力学？

主要发现

• 光生载流子与声子主要引起内壳层激发光谱的红移，表明电子结构变化与晶格畸变。
• 载流子弛豫的时间常数约为360 fs，由瞬态吸收信号中电子贡献的衰减提取。
• 声子加热过程的时间尺度约为1.0 ps，对应于拟合模型中声子浴组分的上升时间。
• 6.0 THz处的相干振荡被归因于A₁g光学声子模式，Se原子的位移振幅为0.0075 Å。
• 3.3 THz处的振荡被识别为A₁g*电荷密度波振幅模，Se原子位移0.0084 Å，Ti原子位移0.0255 Å。
• TDDFT模拟验证了两种模式的光谱指纹，并可确定原子位移的方向与大小，其储存能量分别为0.65 meV/晶胞（A₁g）与0.8 meV/晶胞（A₁g*）。