中国科学技术大学物理学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心教授赵瑾、副教授郑奇靖，在自主知识产权的计算软件Hefei-NAMD中实现了针对动量空间载流子动力学实时演化的第一性原理计算方法。相关研究成果以Ab initio Real-Time Quantum Dynamics of Charge Carriers in Momentum Space为题，发表在《自然-计算科学》（Nature Computational Science）上。固体材料中的载流子动力学是凝聚态物理中的重要问题，决定光电、光伏、谷电子学、自旋电子学等器件的效率。从时间、空间、能量和动量等多个维度来研究载流子动力学是科学家追求的目标。然而，在以往的第一性原理非绝热分子动力学模拟中，由于使用绝热基组，不同k点的非绝热耦合等于零，无法直接模拟动量空间（k空间）的载流子动力学过程。赵瑾与郑奇靖团队通过在简谐近似下将电子态波函数用透热基组展开，将电声耦合矩阵元直接引入哈密顿量，用以代替之前从分子动力学计算出发得到的非绝热耦合矩阵，从而在Hefei-NAMD中实现了动量空间real-time载流子量子动力学的模拟（这一方法简称NAMD_k）。与过去的非绝热分子动力学方法相比，NAMD_k方法不需要使用超胞进行分子动力学计算，只需要利用单胞计算电声耦合即可，降低了计算量。此外，这种方法可以模拟电子/空穴在动量空间的动力学过程，还可以得到载流子弛豫过程中声子激发的信息，从而为光致相变以及光催化的研究提供有力的工具。本工作利用最新发展的方法探究了石墨烯材料热电子弛豫的动力学过程。研究发现，石墨烯中的热电子弛豫存在一个0.2 eV的激发阈值，当热电子初始激发能量大于0.2 eV时，无论是热电子能量弛豫还是K-K’的谷间散射，发生的时间尺度都在皮秒量级，此时电子耦合的是能量较高的光学支声子；当激发能小于0.2 eV时，电子只能与较低能量的声学支声子耦合，能量弛豫与谷间散射的时间尺度都会加长到纳秒量级。该成果为研究材料中的载流子在动量空间中的动力学行为提供了有力工具，并为研究光致相变、光催化提供了可能的技术手段。上述成果是Hefei-NAMD程序的又一重要发展。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部、中国科学院等的支持。论文链接石墨烯k空间热电子弛豫动力学