Ultrafast many-body bright–dark exciton transition in anatase TiO 2

激子 比克西顿 物理 电子 原子物理学 凝聚态物理 量子力学
作者
Aolei Wang,Xiang Jiang,Qijing Zheng,Hrvoje Petek,Jin Zhao
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:120 (47) 被引量:3
标识
DOI:10.1073/pnas.2307671120
摘要

The momentum-forbidden dark excitons can have a pivotal role in quantum information processing, Bose–Einstein condensation, and light-energy harvesting. Anatase TiO 2 with an indirect band gap is a prototypical platform to study bright to momentum-forbidden dark exciton transition. Here, we examine, by GW plus the real-time Bethe–Salpeter equation combined with the nonadiabatic molecular dynamics (GW + rtBSE-NAMD), the many-body transition that occurs within 100 fs from the optically excited bright to the strongly bound momentum-forbidden dark excitons in anatase TiO 2 . Comparing with the single-particle picture in which the exciton transition is considered to occur through electron–phonon scattering, within the GW + rtBSE-NAMD framework, the many-body electron–hole Coulomb interaction activates additional exciton relaxation channels to notably accelerate the exciton transition in competition with other radiative and nonradiative processes. The existence of dark excitons and ultrafast bright–dark exciton transitions sheds insights into applications of anatase TiO 2 in optoelectronic devices and light-energy harvesting as well as the formation process of dark excitons in semiconductors.
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