Photoinduced phase transitions and ultrafast dynamics in strongly correlated and two-dimensional materials

Implementation of modern optoelectronic technologies, based on novel materials, requires a profound knowledge of non-equilibrium dynamics of generated photocarriers, which play a major role in the performance of the devices. Understanding the mechanisms of interaction between photoexcited carriers is therefore of primary importance for advanced technological applications. The progress in non-equilibrium spectroscopic methods allows to investigate microscopic processes in condensed matter on their inherent timescales. In this Thesis, broadband optical pump-probe spectroscopy is applied to study dynamics of complex effects in photoexcited materials. In the reported experiments, ultrafast transient reflectivity with high temporal resolution is used to address dynamics of electronic and structural phase transition in a strongly correlated rare-earth perovskite, a prototype insulator-to-metal transition material. Upon strong perturbation of electronic states above the bandgap, which induces a transition from the insulating to the metallic phase, both electronic system and lattice undergo an ultrafast transformation on a timescale of around 100 fs. The understanding of these dynamical effects allows to make an additional step forward towards comprehension of the phase transition origin in this compound. In monolayer transition metal dichalcogenides, in which the optical properties are dominated by excitonic species, a transition to the metallic state appears as a result of significant modification of carrier-carrier interactions, which can be obtained, for instance, by a strong optical perturbation. In this regard, we focus on the temporal evolution of excitonic species in the presence of high excitonic or free electron-hole pair densities, studied with the broadband transient reflectivity spectroscopy. Additional information about the temporal evolution of the excitonic state is obtained by a quantitative line shape analysis. The photoinduced insulator-to-metal transition is manifested by a complete suppression of the excitonic transition. The work presented in this Thesis is further extended beyond photoinduced phase transitions and addresses a complex exciton relaxation dynamics in a heterostructure of two-dimensional semiconductors. In particular, we address the dynamics of the bright interlayer exciton formation, which is found to be around 800 fs, which is almost an order of magnitude longer than the interlayer charge transfer timescale. A combined experimental-theoretical approach, introduced in this Thesis, has allowed to attribute such delay in the formation of the excitonic signal to the interplay between intervalley scattering and cooling of hot exciton population. The advanced experimental methods utilised in the presented work has provided an opportunity to identify, disentangle, and correctly quantify competing relaxation processes contributing to the observed dynamics in photoexcited materials.

L’implementazione delle moderne tecnologie optoelettroniche, basate su nuovi materiali, richiede una profonda comprensione delle dinamiche di non equilibrio dei portatori di carica fotoindotti, che svolgono un ruolo fondamentale nelle prestazioni di tali dispositivi. Per questo motivo, la comprensione dei meccanismi di interazione fra portatori eccitati è essenziale per il miglioramento delle tecnologie esistenti. Grazie ai recenti progressi nel campo della spettroscopia di non equilibrio è possibile ottenere maggiori informazioni su tali meccanismi, studiando i processi microscopici nella materia condensata nelle loro scale di tempo naturali. In questa Tesi presentiamo lo studio delle dinamiche di effetti complessi in materiali fuori equilibrio, effettuato tramite la tecnica della spettroscopia ottica pump-probe a banda larga. Nei nostri esperimenti, abbiamo utilizzato la spettroscopia di riflettività transiente ultraveloce per ricostruire le dinamiche temporali delle transizioni di fase strutturali e del riarrangiamento del sistema elettronico in un materiale di neodymium nickelate, una perovskite nota per la capacità di effettuare una transizione isolante-metallo. In seguito ad una forte perturbazione ottica degli stati elettronici oltre la banda proibita, sia il sistema elettronico che il reticolo cristallino subiscono una trasformazione ultraveloce su una scala di tempo di circa 100 fs, con il contestuale passaggio del materiale dallo stato isolante a quello conduttivo. La ricostruzione e l’analisi di tali dinamiche costituisce un importante un passo avanti nella comprensione dell’origine della transizione di fase in tale materiale. In singoli layer di transition metal dichalcogenides, materiali caratterizzati da forti effetti eccitonici che ne dominano le proprietà ottiche, una transizione dallo stato isolante a quello metallico avviene a causa di una forte modifica delle interazioni fra portatori di carica, ottenibile per esempio tramite eccitazione ottica. I nostri esperimenti si sono focalizzati sullo studio dell’evoluzione temporale degli eccitoni in presenza di alte densità eccitoniche e di coppie elettrone-lacuna libere, effettuato tramite la spettroscopia di riflettività transiente a banda larga. Ulteriori informazioni sull’evoluzione temporale dello stato eccitonico sono state ottenute tramite un’analisi spettrale quantitativa. La transizione di fase fotoindotta isolante-metallo è confermata dall’osservazione della completa soppressione della transizione eccitonica. Infine, il lavoro presentato in questa tesi affronta lo studio di una complessa dinamica di rilassamento degli eccitoni in una eterostruttura costituita da semiconduttori bidimensionali. Nello specifico, ci siamo concentrati sullo studio delle dinamiche di formazione degli eccitoni interlayer otticamente attive, osservando un tempo di formazione di tale segnale dell’ordine di circa 800 fs, ovvero maggiore di quasi un ordine di grandezza rispetto al tempo necessario al trasferimento di carica fra i due layers. Attraverso l’approccio combinato, sia sperimentale che teorico, presentato in questa Tesi, abbiamo potuto attribuire tale ritardo nella formazione del segnale all’interazione fra il rilassamento collisionale ed il raffreddamento degli eccitoni caldi. Le avanzate tecniche sperimentali utilizzate in questo lavoro si sono dimostrate particolarmente efficaci per identificare, disaccoppiare e quantificare correttamente i differenti effetti di rilassamento che contribuiscono alle dinamiche temporali osservate in materiali fotoeccitati.