Wigner-molecule supercrystal in transition metal dichalcogenide moiré superlattices: Lessons from the bottom-up approach

过渡金属 超晶格 云纹 材料科学 分子 凝聚态物理 物理 化学 光学 量子力学 生物化学 催化作用
作者
Constantine Yannouleas,Uzi Landman
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:109 (12)
标识
DOI:10.1103/physrevb.109.l121302
摘要

The few-body problem for $N=4$ fermionic charge carriers in a double-well moir\'e quantum dot (MQD), representing the first step in a bottom-up strategy to investigate formation of molecular supercrystals in transition metal dichalcogenide (TMD) moir\'e superlattices with integral fillings, $\ensuremath{\nu}>1$, is solved exactly by employing large-scale exact-diagonalization via full configuration interaction (FCI) computations. A comparative analysis with the mean-field solutions of the often used spin-and-space unrestricted Hartree-Fock (sS-UHF) method demonstrates the limitations of the UHF method (by itself) to provide a proper description of the influence of the interdot Coulomb interaction. In particular, it is explicitly shown for $\ensuremath{\nu}=2$ that the exact charge densities (CDs) within each MQD retain the ringlike shape characteristic (for a wide range of relevant parameters) of a fully isolated MQD, as was found for sliding Wigner molecules (WMs). This deeply quantum-mechanical behavior contrasts sharply with the UHF CDs that portray solely orientationally pinned and well-localized dumbbell dimers. An improved CD, which agrees with the FCI-calculated one, derived from the restoration of the sS-UHF broken parity symmetries is further introduced, suggesting a beyond-mean-field methodological roadmap for correcting the sS-UHF results. It is conjectured that the conclusions for the $\ensuremath{\nu}=2$ moir\'e TMD superlattice case extend to all cases with integral fillings that are associated with sliding WMs in isolated MQDs. The case of $\ensuremath{\nu}=3$, associated with a pinned WM in isolated MQDs, is an exception.

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