[论文解读] Photogalvanic currents from first-principles real-time density-matrix dynamics

Junting Yu, Andrew Grieder+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2026

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一句话总结

第一性原理的量子动力学理论，利用实时密度矩阵动力学，在所有时间尺度预测光热电流，强调声子介导的位移电流贡献以及在圆偏振光下的自洽稳态注入电流。

ABSTRACT

The photogalvanic effect is the generation of a second-order direct current by illumination of a non-centrosymmetric material. In this work, we develop a first-principles real-time density matrix (FPDMD) formalism enabling the calculations of the photogalvanic current in all time regimes: transient and steady. Unlike past extit{ab-initio} studies which focused only on the photo-excitation process, our first-principles theory framework encodes all quantum scatterings (intra/interband relaxation and electron-hole recombination) mediated by bosons (photons and phonons), and is thus predictive of photogalvanic currents in realistic materials. In particular, for the linear photogalvanic effect, we find electron scatterings mediated by phonons contribute significantly to the shift current for prototypical piezoelectrics like BaTiO$_3$. For the circular photogalvanic effect, we develop a self-consistent theory of a steady injection current that incorporates realistic scattering mediated by phonons. Our formulation developed for photogalvanic current elucidates its connection with fundamental quantum-geometric quantities such as the Berry curvature and the quantum metric. A phonon-based explanation is proposed for the bipolar transient photogalvanic current observed by the THz emission spectroscopy.

研究动机与目标

• 开发一个完全第一性原理的量子动力学框架，以预测在所有时间尺度（瞬态与稳态）下的光热电流。
• 通过量子主方程将所有玻色子介导的散射（光子和声子）包含进去，以捕捉激发、弛豫与复合过程。
• 阐明线性PGE中激发位移电流与声子介导贡献的作用，并推导在圆偏光下的自洽稳态注入电流。
• 将光热电流与贝里曲率和量子度量等基础量子几何量量联系起来。

提出的方法

• 构建含电子、玻色子模（光子和声子）及其耦合 H'，矩阵元为 λij^m 的总哈密顿量。
• 在 Born-Markov近似下使用实时量子主方程演化电子简密度矩阵，包含光、电子-声子和复合散射。
• 计算电流 J(t) = -e Tr(ρ(t) v)，分离带对角与非对角贡献，并通过傅里叶变换提取直流分量、二次谐波及更高阶谐波。
• 在圆偏振光下推导自洽的稳态注入电流，包含基态依赖的弛豫时间 τk,s 来自电子-声子自能。
• 将实时动力学与微扰公式进行对比以进行交叉验证，并通过贝里曲率与量子度量的概念解释结果。
• 将该框架应用于 BaTiO3 这一典型非中心对称的压电材料，以分离激发与声子贡献并研究瞬态响应。

Figure 1: Kinetic process and electron occupation under an external light illumination. (a) Kinetic processes including light excitation, scattering and recombination. (b) Excited carrier occupation changes with time in conduction bands within the first 30 fs. The excitation peak is formed within 10

实验结果

研究问题

• RQ1 声子介导散射如何修饰线性光热电流（位移电流）相对于仅基于激发的贡献？
• RQ2 在圆偏振光下，电子-声子散射在稳态注入电流中的作用，以及它如何与贝里曲率和量子度量相联系？
• RQ3 实时密度矩阵动力学是否能捕捉从瞬态到稳态的全时间尺度的瞬态光热电流？
• RQ4 激发、弛豫与复合过程如何相互作用，产生 BaTiO3 中观测到的瞬态（双极性）光热电信号？

主要发现

• 声子介导的散射显著贡献于 BaTiO3 的线性位移电流，调和此前从头计算低估与实验之间的差异。
• 声子位移电流可通过一个微扰公式半定量地捕获，并与带内贝里曲率相关，验证了光热电效应的量子几何视角。
• 在圆光下，稳态注入电流通过自洽地确定的状态相关弛豫时间，并通过推导的表达式与贝里曲率和量子度量相关。
• 在线性偏振光下，总稳态电流与实验数据更吻合，当同时考虑激发与声子介导贡献时。
• BaTiO3 的瞬态光热电显示双相响应：先是激发主导的电流，随后是较慢的声子主导电流，解释了时域 THz 测量现象。

Figure 2: Different DC photocurrent conductivities of BaTiO 3 . (a) Excitation shift current conductivity in $zxx$ direction. Real time result is from evaluating the steady state off-diagonal part of the density matrix, with eliminating other contributions except excitation current. Reference data i