中國科學技術大學物理學院、合肥微尺度物質科學國家研究中心、國際功能材料量子設計中心趙瑾教授、鄭奇靖副教授基于自主知識產權的計算軟件Hefei-NAMD，研究了銳鈦礦TiO₂中的亮-暗激子轉化的動力學過程，揭示了多體效應在其中起到的重要作用。最近，該成果以“Ultrafast many-body bright-dark exciton transition in anatase TiO₂”為題，發表在Proc. Natl. Acad. Sci.上。

激子是凝聚態體系中電子和空穴以庫倫相互作用束縛在一起的準粒子，以其與光的相互作用性質可以分為亮激子和暗激子，亮激子可以直接與光耦合，對于物質的光吸收非常重要，而暗激子由于有相對較長的壽命在量子信息、玻色-愛因斯坦凝聚、以及能量轉化領域有很重要的應用。在本工作中，我們利用準確包含多體效應的GW + real-time BSE 方法研究了銳鈦礦TiO₂材料中亮-暗激子轉化的動力學過程。銳鈦礦TiO₂有很好的光吸收性質，可以在光激發的條件下產生亮激子。同時，由于材料具有間接帶隙的性質，亮激子最終弛豫到帶邊形成暗激子。

在單粒子圖像下，這種亮-暗激子的轉化主要由電聲耦合導致。然而，當考慮了激子中的多體效應，即電子-空穴的相互作用，他們發現激子的轉移出現了新的通道，導致亮-暗激子的轉移時間尺度提升了數倍，亮激子在100 fs左右的時間內轉化為暗激子。在這個轉化過程中，激子的多體效應起到了關鍵作用。

本工作揭示半導體材料中激子動力學中多體效應的作用機制，對設計基于激子的光電器件和能源材料有重要的意義。

本工作是Hefei-NAMD程序的又一重要進展（程序主頁：https://hefei-namd.org/）。論文第一作者王傲雷為物理學院博士生，匹茲堡大學Hrvoje Petek教授參與了結果討論。本工作受到基金委、科技部、中國科學院等單位的支持。

文章鏈接： https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2307671120

（物理學院、科研部）