Title Dynamical electron-phonon interaction in novel quantum materials from first principles Title (croatian) Dinamička elektron-fonon interakcija u novim kvantnim materijalima iz prvih principa Author Nina Girotto Mentor Dino Novko (mentor)Mentor Mario Novak (komentor)Committee member Ivan Kupčić (predsjednik povjerenstva)Committee member Mario Novak (član povjerenstva)Committee member Dino Novko (član povjerenstva)Granter University of Zagreb Defense date and country 2024-09-16, Croatia Scientific / art field, NATURAL SCIENCES Universal decimal classificationUDC ) 53 - Physics Abstract With the aim of elucidating various experimental results in several relevant novel materials, this thesis delves into clarifying the role of dynamical electron-phonon coupling. Using first-principles theory as a basis for our calculations, we often go beyond these methods and complement them with many-body perturbation theory. The main aim of this work is to provide a thorough overview of the far-reaching consequences of resorting to the static approximation of electron-lattice interaction when using ab-initio methods. After setting an in depth theoretical basis, this thesis deals with three topics. Firstly, we show a variety of novel bulk and two-dimensional materials all exhibiting remarkable nonadiabatic effects in their phonon spectra. Apart from the expected long-wavelength nonadiabatic effects, we found sizable nonadiabatic Kohn anomalies away from the Brillouin zone center for materials with strong intervalley electron-phonon scatterings. With our thorough theoretical calculations we reveal important consequences that the dynamical electron-phonon coupling has on estimating the superconducting and transport properties. With significant modifications of the electron-phonon coupling across the Brillouin zone, the dynamical phonon anomalies alter the superconducting transition temperature compared to the adiabatic result and rescale the lowtemperature and low-frequency regime of the scattering time 1/τop(ω,T) from about T3 to about T2, resembling the Fermi liquid result for electron-electron scattering. Secondly, we focus on temperature-dependent Raman experiments done on graphene and Weyl semimetals and simulate the dynamical phonon self-energy contributions beyond the first-order perturbation theory. Contrary to the common belief, we reveal a prevailing electron-phonon coupling contribution to the linewidths of their strongly-coupled phonons and manage to provide convincing justifications of experimental observations. Finally, we discuss the out-of equilibrium phenomena, as achieved in ultrafast pump-probe experiments. We simulate the time-resolved modifications in the phonon spectra and electron-phonon properties, taking place due to a photoexcited electron distribution in graphene and molybdenum disulphide (MoS2). A significant contribution of this work lies in the methodology we use, because nonequilibrium simulations of dynamical electron-phonon coupling are out of reach for the current ab-initio methods. In graphene, we find several important photo-induced effects. We reveal photo-induced phonon gain and we resolve the debate about whether photoexcitation enhances electron-phonon coupling matrix elements or if the observed effects stem from the modified phase space and provide evidence to support the latter option. In MoS2, due to its multivalley band structure, time-dependent Boltzmann equations reveal a characteristic manner of electron relaxation. The corresponding time dynamics of phonons shows time-dependent anisotropic phonon softenings, dynamical Kohn anomalies, and strengthening of electron-phonon coupling.
Abstract (english) Glavni cilj ovog doktorskog rada je provesti temeljito istraživanje uloge dinamičkog elektron-fonon vezanja (eng. electron-phonon coupling, EPC) u kvazi-2D materijalima iz prvih principa. Glavno pitanje kojim se bavi je pitanje utjecaja i posljedica dinamičkog EPC-a na fonone u uvjetima ravnoteže i izvan nje. EPC je odgovorno za objašnjenje mnoštva zanimljivih fizikalnih fenomena, kao što su transport nosioca naboja, termalni transport te konvencionalna supravodljivost, dok istovremeno postoji velika praznina između novih eksperimentalnih spoznaja i pripadnih teorijskih uvida u mikroskopske procese. Za mnoge praktične primjene, zanimljiv je koncept upravljanja svojstvima i faznim prijelazima materijala. Posebno su zanimljivi 2D materijali kojima je lako manipulirati dopiranjem, fotopobuđenjem ili tlakom, a veliki dio informacija o svojstvima pohranjen je u fononskom spektru. Stoga, od velike je važnosti produbiti razumijevanje dinamičke elektronfonon interakcije koja je nedostupna u okvirima raspoloživih računa iz prvih principa, a može uvelike mijenjati adijabatski predviđena svojstva fonona. Istraživanje se oslanja na teoriju funkcionala gustoće (eng. density functional theory - DFT) i nadopunjuje se odgovarajućim teoretskim dodacima koji nisu a priori uzeti u obzir pri izračunima iz prvih principa. DFT se do sada pokazala snažnim alatom za izračun EPC-a iz prvih principa. Svrha ovog istraživanja je unaprijeđivanje te metode, zbog čega kombiniramo DFT s perturbativnom teorijom mnoštva čestica (eng. MBPT), programima za izračun anharmoničkih efekata i Boltzmannovim transportnim jednadžbama (vidi Poglavlja 2, 3, 4). DFT se oslanja na adijabatsku aproksimaciju, zbog čega se prva tema opisana u Poglavlju 5 ovog doktorskog istraživanja bavi neadijabatskom korekcijom fononskog spektra raznih 2D i 3D materijala. To na ključan način doprinosi razumijevanju dinamičkih efekata EPC-a te njihovih dalekosežnih implikacija na supravodljiva i transportna svojstva u raznim materijalima. Mi predlažemo način korekcije fononskih spektara i EPC-a te pokazujemo njene posljedice na izračun supravodljivih i transportnih svojstava. Pokazali smo da u 8 promatranih sustava dinamičke korekcije ublažavaju statički dobivene Kohn anomalije u fononskom spektru i zauzvrat drastično smanjuju jačinu EPC-a. Povrh dinamičkih efekata, DFT ne uračunava efekte iznad prvog reda u MBPT prilikom izračuna vlastite energije fonona. Ova disertacija u Poglavlju 6 pokazuje da viši redovi MBPT-a, donose velike anharmoničke doprinose posredovane elektronima. Takvo istraživanje pomaže u razumijevanju temperaturno ovisnih Raman spektara sustava s jakom elektron-fonon interakcijom. Pokazuje se da u grafenu i Weyl semimetalima, usprkos drugačijem uvjerenju zajednice, EPC predstavlja značajni mehanizam temperaturne promjene fononskih frekvencija i širine fononskih linija. Fotopobuđenjem mogu se inducirati nove zanimljive faze u materijalu, što je od velikog značaja za primjenu, a uvelike neistraženo. Mi prezentiramo dvije nove metode za simulaciju neravnotežnih distribucija elektrona te njihovih posljedica na dinamiku fonona, elektrona i EPC-a u Poglavlju 7. U fotoinduciranom grafenu, simulirali smo neravnotežnu distribuciju nosioca u nekoliko različitih faza termalizacije i izračunali dinamičku spektralnu funkciju fonona. Otkrili smo otvrđivanje fonona i općenito proširenje fononskih linija uslijed vezanja na elektrone izvan ravnoteže. Izračuni EPC-a u fotopobuđenom MoS2 otkrili su tranzijentne fononske anomalije te proširenje fononskih linija za vrijeme termalizacije elektrona. Ovakva istraživanja koja objedinjuju vremensku evoluciju neravnotežne raspodjele nosioca te renormalizaciju fonona koja je time inducirana su bitna jer je napravljen korak k samosuglasnom opisu EPC-a u netermalnim uvjetima. Takav pristup je prigodan za proučavanje ultrabrzih fenomena gdje dinamička renormalizacija fonona igra važnu ulogu. To istraživanje pruža temelj za proučavanje sustava gdje se fotopobuđenjem mogu inducirati fazni prijelazi ili uređena stanja. U ovoj disertaciji navodi se nekoliko teorijskih metoda koje upotpunjavaju nedostatke izračuna iz prvih principa i koje se mogu primijeniti na široki spektar materijala i fizikalnih problema. Disertacija je usko povezana s eksperimentalnim radom, dok se tehnološka primjena ovakvih istraživanja proteže od nalaženja optimalnih materijala za razne uređaje pa sve do krojenja njihovih željenih svojstava i primjene u raznim granama industrije.
Keywords
electron-phonon coupling
ab-initio methods
Kohn anomaly
phonon self-energy
linewidth
nonadiabaticity
Keywords (english)
elektron-fonon vezanje
metode iz prvih principa
Kohn anomalija
vlastita energija fonona
širina linije
neadijabatski efekti
Language english URN:NBN urn:nbn:hr:217:059372 Promotion 2024 Project Number: UIP-2019-04-6869 Study programme Title: Doctoral study Type of resource Text Extent 153 str. File origin Born digital Access conditions Open access Terms of use Created on 2024-10-29 14:00:43
