苏州实验室铉丰源Phys. Rev. B: 激子绝缘体集体激发态的第一性原理计算方法

基于密度泛函理论和多体微扰论的第一性原理计算方法已被广泛用于电子结构计算，然而对称性破缺体系激发态目前仍没有有效的计算方法，其中激子绝缘体（EI）是一种由电子-空穴对（e-h pair）形成的长程有序态，它自发破缺了体系的U(1)对称性（对应激子数目守恒），或者某个晶格对称性。凝聚体的集体激发对应于序参量的涨落，这些涨落会贡献光学响应并可作为实验特征。对这些模式的理论分析通常基于模型哈密顿量，而实际材料计算则需要一种能够与第一性原理计算软件自然兼容的计算方法。

在此研究中，作者提出了一种基于第一性原理Bethe-Salpeter-Equation（BSE）的方法，对具有自发对称性破缺典型体系的集体激发进行定量计算。此项工作的讨论聚焦于激子绝缘体，虽然略加推广后，此方法同样适用于超导体和电荷/自旋密度波等一般体系的集体模式。在平均场哈密顿量的基础上，作者从涨落项出发构建了粒子-空穴对激发的BSE本征方程。其本征向量和本征值对应集体激发态和激发能量，并由此计算激子序参量的涨落。文章在偏压调制WSe₂-MoSe₂双层体系中验证了该方法，揭示了零能相位模式以及一系列带隙内的Bardasis-Schrieffer（BaSh）模式。未来，该方法及其推广可大规模应用于第一性原理计算软件。

Fig 3: 图2中所示的若干c₁型集体激发态与相应序参量涨落的动量空间分布。

Fig 4: (a) 偏压调制WSe₂-MoSe₂双层体系的BCS激子绝缘体区间。图中展示了正常态（左）、正常态介电屏蔽下的EI态（中）以及激子绝缘态介电屏蔽下的EI态（右）的能带结构。(b) 沿AC方向的光导率。红色与蓝色曲线分别是基于BSE和IPA的计算结果，并采用2 meV的洛伦兹展宽。

Fig 5: (a) 描述e-h传播子的费曼图。两条入射线可视为玻色子，该图也可理解为玻色场传播子的自能。黑色实线表示电子传播子：若体系处于对称性破缺相，则需通过平均场进行修正。蓝色波浪线代表带间相互作用，蓝色虚线表示相同作用，在对角化后的准粒子能带基矢中分解为e-h通道与anti-e-h通道。(b) 玻色场传播子的集体激发模式表示。第一行为用原始带间相互作用表达的玻色场传播子，集体激发模式包含在顶点中。第二行为Hubbard-Stratonovich变换后的等效图，其中蓝色虚线表示传递相互作用的玻色场传播子。

原文链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/rdrs-ndjc

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