Momentum space transformations for incommensurate 2D electronic structure calculations are fundamental for reducing computational cost and for representing the data in a more physically motivating format, as exemplified in the Bistritzer-MacDonald model. However, these transformations can be difficult to implement in more complex systems such as when mechanical relaxation patterns are present. In this work, we aim for two objectives. Firstly, we strive to simplify the understanding and implementation of this transformation by rigorously writing the transformations between the four relevant spaces, which we denote real space, configuration space, momentum space, and reciprocal space. This provides a straight-forward algorithm for writing the complex momentum space model from the original real space model. Secondly, we implement this for twisted bilayer graphene with mechanical relaxation affects included. We also analyze the convergence rates of the approximations, and show the tight-binding coupling range increases for smaller relative twists between layers, demonstrating that the 3-nearest neighbor coupling of the Bistritzer-MacDonald model is insufficient when mechanical relaxation is included for very small angles. We quantify this and verify with numerical simulation.


翻译:对于不共形二维电子结构计算的动量空间变换是降低计算成本、以更物理推动的形式呈现数据的基础,比如Bistritzer-MacDonald模型。然而,这些转换在更复杂的系统,如存在机械松弛模式时,可能难于实现。本工作的目标是实现两个目标。首先,我们力求通过严格书写四个相关空间(分别为实空间、构型空间、动量空间和反空间)之间的变换,从而简化该变换的理解和实现。这提供了从原始实空间模型编写复杂动量空间模型的简单算法。其次,我们针对包括机械松弛影响的扭曲双层石墨烯实现此项工作。我们还分析了近似收敛速率,并表明严格耦合距离随层之间相对扭曲角度的减小而增加,这表明当包括机械松弛时,Bistritzer-MacDonald模型的3近邻耦合对于非常小的角度是不够的,并对此进行量化并通过数值模拟进行验证。

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