Ultrafast Structural Transition and Electron-Phonon/Phonon-Phonon Coupling in Antimony Revealed by Nonadiabatic Molecular Dynamics

声子 激发 凝聚态物理 联轴节(管道) 飞秒 超短脉冲 物理 材料科学 分子物理学 激光器 光学 量子力学 冶金
作者
M. Y. Niu,Shengjian Qin,Bai‐Qian Wang,Nian‐Ke Chen,Xianbin Li
出处
期刊:Journal of Physics: Condensed Matter [IOP Publishing]
卷期号:37 (4): 045401-045401
标识
DOI:10.1088/1361-648x/ad8696
摘要

Abstract Real-time time-dependent density-functional theory molecular dynamics (rt-TDDFT-MD) reveals the nonadiabatic dynamics of the ultrafast photoinduced structural transition in a typical phase-change material antimony (Sb) with Peierls distortion (PD). As the excitation intensity increases from 3.54% to 5.00%, three distinct structural transition behaviors within 1 ps are observed: no PD flipping, nonvolatile-like PD flipping, and nonstop back-and-forward PD flipping. Analyses on electron-phonon and phonon–phonon couplings indicate that the excitation-activated coherent A 1g phonon mode by electron-phonon coupling drives the structural transition within several hundred femtoseconds. Then, the energy of coherent motions are transformed into that of random thermal motions via phonon–phonon coupling, which prevents the A 1g -mode-like coherent structure oscillations. The electron-phonon coupling and coherent motions will be enhanced with increasing the excitation intensity. Therefore, a moderate excitation intensity that can balance the coherent and decoherent thermal movements will result in a nonvolatile-like PD flipping. These findings illustrate important roles of nonadiabatic electron-phonon/phonon–phonon couplings in the ultrafast laser-induced structural transitions in materials with PD, offering insights for manipulating their structures and properties by light.

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