Strong electron phonon correlation in quasi one-dimensional crystals and the excitonic insulator candidate Ta₂NiSe₅

Understanding and controlling the interaction between quasiparticles in quantum materials is still an ongoing endeavour in condensed matter physics. In this thesis the interaction between phononic, electronic and excitonic degrees of freedom is investigated using first principles and model calculations for prototype candidates of a family of correlated materials.In the first part of this thesis I am going to present two different cases, where the strong coupling between electrons and phonons can be used to control the material properties in a solid. The first example, which I am going to discuss, is SiP2. I will show that its quasi one-dimensional structure gives rise to peculiar hybrid dimensional excitons. These are shown to be detectable through their strong coupling to the ionic degrees of freedom, which leads to the emergence of exciton phonon sidebands. These have been detected by our experimental collaborators, which marks the first measurement of such low dimensional exciton phonon sidebands in a bulk system and show a prime example of symmetry engineering of the electronic degrees of freedom. For a second example I will show, how the ionic system can be dynamically controlled via an electronic excitation which allows to manipulate the reflectivity in the THz regime. I will identify the microscopical coupling mechanism of this phenomenon, which arises through the strong coupling between the involved electronic and phononic states, and explain how this manifests in an enhancement of the reflectivity of the system.In the second part of the thesis I will present how one can understand the nature of competing phase transitions using a combined ab-initio and model calculation approach. I will discuss Ta2NiSe5, which is currently the most discussed candidate to host a phase transition to an excitonic insulating state. The difficulty in understanding this transition is that it is intrinsically coupled to a structural phase transition which makes the unique signature of the conjectured excitonic insulating groundstate elusive. Therefore, it is necessary to understand the nature of both transitions separately and disentangle the contribution of the two. I will discuss how an excitonic instability in this system could arise and identify its order parameter, but then show that the actual material does not realize it. Instead Ta2NiSe5 displays a structural instability, which leads to changes in the electronic system that is in agreement with the experiments for this material. Thus, we conclude that the phase transition is stemming from a structural instability rather than an excitonic instability.Das Verständnis und die Kontrolle von Quasiteilchen in Quantenmaterialien ist bis heute eine Herausforderung für die aktuelle Forschung. In dieser Dissertation werde ich die Wechselwirkung zwischen eletronischen, exzitonischen und phononischen Freiheitsgraden mittels ab-initio und Modellrechnungen untersuchen.In dem ersten Teil dieser Arbeit werde ich zwei verschiedene Beispiele von Systemen präsentieren, deren Eigenschaften sich durch ihre starke Wechselwirkung zwischen Ionen und Elektronen manipulieren lassen. In dem ersten Projekt diskutiere ich SiP2. Dies ist ein Kristall mit quasi-eindimensionaler Struktur, welcher Exzitonen mit einer besonderen hybrid-dimensionalen Struktur beheimatet. Es wird gezeigt, dass diese Struktur erlaubt die starke Wechselwirkung dieser Teilchen mit Phononen zu messen, da dieser stark korrelierte Exziton-Phonon Zustand als Nebenpeak zu den exzitonischen Hauptpeaks sichtbar wird. Diese wurden von unseren experimentellen Kollegen gemessen, was die erste Messung dieser niedrigdimensionalen Exziton-Phonon Nebenmaxima in einem dreidimensionalen Kristall darstellt. In einem zweiten Projekt werde ich zeigen wie das ionische System durch seine starke Kopplung zu dem elektronischen System gezielt durch die Anregung des letzteren manipuliert werden kann. So ist es möglich die Reflektivität des Systems mittels eines gezielten Laserpulses signifikant zu erhöhen. Ich werde in dieser Arbeit den mikroskopische Mechanismus dieses Phänomens identifizieren, zeigen welche elektronischen und ionischen Zustände dazu stark miteinander koppeln und erklären wie dies zu der Vergrößerung der Reflektivität des Kristalls führt.In dem zweiten Teil dieser Arbeit werde ich zeigen wie mittels eines kombinierten Ansatzes aus ab-initio-Rechnungen, Modellrechnungen und experimentellen Daten ein kompetitiver Phasenübergang verstanden werden kann. Ich werde den Ta2NiSe5 Kristall diskutieren, welcher gegenwärtig der meistdiskutierte Kandidat ist um den exzitonischen Isolator Zustand zu realisieren. Die Schwierigkeit bei der Suche nach diesem Zustand ist, dass dieser in Ta2NiSe5 intrinsisch mit einem strukturellen Phasenübergang gekoppelt ist. Dies macht es schwer den vermuteten exzitonisch isolierenden Zustand eindeutig zu identifizieren. Deshalb ist es nötig beide Phasenübergänge einzelnd genau zu verstehen, um ihre Signatur in dem kompetitiven Phasenübergang unterscheiden zu können. Ich werde dies anhand dieses exzitonischen Isolator Kandidaten aufzeigen und diskutieren wie solch eine exzitonische Instabilität aussehen könnte und ihren Ordnungsparameter identifizieren. Anschließend werde ich jedoch zeigen, dass diese exzitonische Instabilität im realen Material nicht realisiert ist und stattdessen eine strukturelle Instabilität den Phasenübergang dominiert. Diese führt zu einer Signatur, welche im Einklang mit den experimentellen Messungen ist. Deshalb ist das Fazit, dass der exzitonische Isolator in dem Phasenübergang in Ta2NiSe5 keine Rolle spielt

Strong electron phonon correlation in quasi one-dimensional crystals and the excitonic insulator candidate Ta₂NiSe₅

Understanding and controlling the interaction between quasiparticles in quantum materials is still an ongoing endeavour in condensed matter physics. In this thesis the interaction between phononic, electronic and excitonic degrees of freedom is investigated using first principles and model calculations for prototype candidates of a family of correlated materials.In the first part of this thesis I am going to present two different cases, where the strong coupling between electrons and phonons can be used to control the material properties in a solid. The first example, which I am going to discuss, is SiP2. I will show that its quasi one-dimensional structure gives rise to peculiar hybrid dimensional excitons. These are shown to be detectable through their strong coupling to the ionic degrees of freedom, which leads to the emergence of exciton phonon sidebands. These have been detected by our experimental collaborators, which marks the first measurement of such low dimensional exciton phonon sidebands in a bulk system and show a prime example of symmetry engineering of the electronic degrees of freedom. For a second example I will show, how the ionic system can be dynamically controlled via an electronic excitation which allows to manipulate the reflectivity in the THz regime. I will identify the microscopical coupling mechanism of this phenomenon, which arises through the strong coupling between the involved electronic and phononic states, and explain how this manifests in an enhancement of the reflectivity of the system.In the second part of the thesis I will present how one can understand the nature of competing phase transitions using a combined ab-initio and model calculation approach. I will discuss Ta2NiSe5, which is currently the most discussed candidate to host a phase transition to an excitonic insulating state. The difficulty in understanding this transition is that it is intrinsically coupled to a structural phase transition which makes the unique signature of the conjectured excitonic insulating groundstate elusive. Therefore, it is necessary to understand the nature of both transitions separately and disentangle the contribution of the two. I will discuss how an excitonic instability in this system could arise and identify its order parameter, but then show that the actual material does not realize it. Instead Ta2NiSe5 displays a structural instability, which leads to changes in the electronic system that is in agreement with the experiments for this material. Thus, we conclude that the phase transition is stemming from a structural instability rather than an excitonic instability.Das Verständnis und die Kontrolle von Quasiteilchen in Quantenmaterialien ist bis heute eine Herausforderung für die aktuelle Forschung. In dieser Dissertation werde ich die Wechselwirkung zwischen eletronischen, exzitonischen und phononischen Freiheitsgraden mittels ab-initio und Modellrechnungen untersuchen.In dem ersten Teil dieser Arbeit werde ich zwei verschiedene Beispiele von Systemen präsentieren, deren Eigenschaften sich durch ihre starke Wechselwirkung zwischen Ionen und Elektronen manipulieren lassen. In dem ersten Projekt diskutiere ich SiP2. Dies ist ein Kristall mit quasi-eindimensionaler Struktur, welcher Exzitonen mit einer besonderen hybrid-dimensionalen Struktur beheimatet. Es wird gezeigt, dass diese Struktur erlaubt die starke Wechselwirkung dieser Teilchen mit Phononen zu messen, da dieser stark korrelierte Exziton-Phonon Zustand als Nebenpeak zu den exzitonischen Hauptpeaks sichtbar wird. Diese wurden von unseren experimentellen Kollegen gemessen, was die erste Messung dieser niedrigdimensionalen Exziton-Phonon Nebenmaxima in einem dreidimensionalen Kristall darstellt. In einem zweiten Projekt werde ich zeigen wie das ionische System durch seine starke Kopplung zu dem elektronischen System gezielt durch die Anregung des letzteren manipuliert werden kann. So ist es möglich die Reflektivität des Systems mittels eines gezielten Laserpulses signifikant zu erhöhen. Ich werde in dieser Arbeit den mikroskopische Mechanismus dieses Phänomens identifizieren, zeigen welche elektronischen und ionischen Zustände dazu stark miteinander koppeln und erklären wie dies zu der Vergrößerung der Reflektivität des Kristalls führt.In dem zweiten Teil dieser Arbeit werde ich zeigen wie mittels eines kombinierten Ansatzes aus ab-initio-Rechnungen, Modellrechnungen und experimentellen Daten ein kompetitiver Phasenübergang verstanden werden kann. Ich werde den Ta2NiSe5 Kristall diskutieren, welcher gegenwärtig der meistdiskutierte Kandidat ist um den exzitonischen Isolator Zustand zu realisieren. Die Schwierigkeit bei der Suche nach diesem Zustand ist, dass dieser in Ta2NiSe5 intrinsisch mit einem strukturellen Phasenübergang gekoppelt ist. Dies macht es schwer den vermuteten exzitonisch isolierenden Zustand eindeutig zu identifizieren. Deshalb ist es nötig beide Phasenübergänge einzelnd genau zu verstehen, um ihre Signatur in dem kompetitiven Phasenübergang unterscheiden zu können. Ich werde dies anhand dieses exzitonischen Isolator Kandidaten aufzeigen und diskutieren wie solch eine exzitonische Instabilität aussehen könnte und ihren Ordnungsparameter identifizieren. Anschließend werde ich jedoch zeigen, dass diese exzitonische Instabilität im realen Material nicht realisiert ist und stattdessen eine strukturelle Instabilität den Phasenübergang dominiert. Diese führt zu einer Signatur, welche im Einklang mit den experimentellen Messungen ist. Deshalb ist das Fazit, dass der exzitonische Isolator in dem Phasenübergang in Ta2NiSe5 keine Rolle spielt

Fresnel-Floquet theory of light-induced terahertz reflectivity amplification in Ta₂NiSe₅

We theoretically investigate a new pathway for terahertz parametric amplification, initiated by above-gap optical excitation in the candidate excitonic insulator Ta2NiSe5. We show that after electron photoexcitation, electron-phonon coupling can lead to THz parametric amplification, mediated by squeezed oscillations of the strongly coupled phonon. The developed theory is supported by experimental results on Ta2NiSe5 where photoexcitation with short pulses leads to enhanced terahertz reflectivity. We explain the key mechanism leading to parametric amplification in terms of a simplified Hamiltonian and demonstrate the validity of the simplified model in Ta2NiSe5 using DFT ab-initio calculations. We identify a unique 4.7 THz infrared active phonon that is preferentially coupled to the electronic bandstructure, providing a dominant contribution to the low frequency terahertz amplification. Moreover, we show that the electron-phonon coupling is strongly dependent on the order parameter. Our theory suggests that the pumped Ta2NiSe5 is a gain medium which can be used to create THz amplifiers in THz communication applications

Common microscopic origin of the phase transitions in Ta₂NiS₅ and the excitonic insulator candidate Ta₂NiSe₅

The structural phase transition in Ta2NiSe5 has been envisioned as driven by the formation of an excitonic insulating phase. However, the role of structural and electronic instabilities on crystal symmetry breaking has yet to be disentangled. Meanwhile, the phase transition in its complementary material Ta2NiS5 does not show any experimental hints of an excitonic insulating phase. We present a microscopic investigation of the electronic and phononic effects involved in the structural phase transition in Ta2NiSe5 and Ta2NiS5 using extensive first-principles calculations. In both materials the crystal symmetries are broken by phonon instabilities, which in turn lead to changes in the electronic bandstructure also observed in the experiment. A total energy landscape analysis shows no tendency towards a purely electronic instability and we find that a sizeable lattice distortion is needed to open a bandgap. We conclude that an excitonic instability is not needed to explain the phase transition in both Ta2NiSe5 and Ta2NiS5

Unconventional excitonic states with phonon sidebands in layered silicon diphosphide

Complex correlated states emerging from many-body interactions between quasiparticles (electrons, excitons and phonons) are at the core of condensed matter physics and material science. In low-dimensional materials, quantum confinement affects the electronic, and subsequently, optical properties for these correlated states. Here, by combining photoluminescence, optical reflection measurements and ab initio theoretical calculations, we demonstrate an unconventional excitonic state and its bound phonon sideband in layered silicon diphosphide (SiP2), where the bound electron–hole pair is composed of electrons confined within one-dimensional phosphorus–phosphorus chains and holes extended in two-dimensional SiP2 layers. The excitonic state and emergent phonon sideband show linear dichroism and large energy redshifts with increasing temperature. Our ab initio many-body calculations confirm that the observed phonon sideband results from the correlated interaction between excitons and optical phonons. With these results, we propose layered SiP2 as a platform for the study of excitonic physics and many-particle effects

Nature of Symmetry Breaking at the Excitonic Insulator Transition: Ta₂NiSe₅

Ta2NiSe5 is one of the most promising materials for hosting an excitonic insulator ground state. While a number of experimental observations have been interpreted in this way, the precise nature of the symmetry breaking occurring in Ta2NiSe5, the electronic order parameter, and a realistic microscopic description of the transition mechanism are, however, missing. By a symmetry analysis based on first-principles calculations, we uncover the discrete lattice symmetries which are broken at the transition. We identify a purely electronic order parameter of excitonic nature that breaks these discrete crystal symmetries and contributes to the experimentally observed lattice distortion from an orthorombic to a monoclinic phase. Our results provide a theoretical framework to understand and analyze the excitonic transition in Ta2NiSe5 and settle the fundamental questions about symmetry breaking governing the spontaneous formation of excitonic insulating phases in solid-state materials

The spontaneous symmetry breaking in Ta₂NiSe₅ is structural in nature

The excitonic insulator is an electronically-driven phase of matter that emerges upon the spontaneous formation and Bose condensation of excitons. Detecting this exotic order in candidate materials is a subject of paramount importance, as the size of the excitonic gap in the band structure establishes the potential of this collective state for superfluid energy transport. However, the identification of this phase in real solids is hindered by the coexistence of a structural order parameter with the same symmetry as the excitonic order. Only a few materials are currently believed to host a dominant excitonic phase, Ta2NiSe5 being the most promising. Here, we test this scenario by using an ultrashort laser pulse to quench the broken-symmetry phase of this transition metal chalcogenide. Tracking the dynamics of the material's electronic and crystal structure after light excitation reveals surprising spectroscopic fingerprints that are only compatible with a primary order parameter of phononic nature. We rationalize our findings through state-of-the-art calculations, confirming that the structural order accounts for most of the electronic gap opening. Not only do our results uncover the long-sought mechanism driving the phase transition of Ta2NiSe5, but they also conclusively rule out any substantial excitonic character in this instability