Layered superatomic semiconductors, whose building blocks are atomically precise molecular clusters, exhibit interesting electronic and vibrational properties. In recent work [Tulyagankhodjaev et al., Science 382, 438 (2023)], transient reflection microscopy revealed quasi-ballistic exciton dynamics in Re6Se8Cl2, which was attributed to the formation of polarons due to coupling with acoustic phonons. Here, we characterize the electronic, excitonic, and phononic properties with periodic density functional theory. We further parameterize a polaron Hamiltonian with nonlocal (Su–Schrieffer–Heeger) coupling to an acoustic phonon to study the polaron ground state binding energy and dispersion relation with variational wavefunctions. We calculate a polaron binding energy of about 10 meV at room temperature, and the maximum group velocity of our polaron dispersion relation is 1.5 km/s, which is similar to the experimentally observed exciton transport velocity.

1.
N.
Wang
,
H.
Gong
,
Z.
Sun
,
C.
Shen
,
B.
Li
,
H.
Xiao
,
X.
Zu
,
D.
Tang
,
Z.
Yin
,
X.
Wu
,
H.
Zhang
, and
L.
Qiao
,
ACS Appl. Energy Mater.
4
,
12163
(
2021
).
2.
X.
Roy
,
C.-H.
Lee
,
A. C.
Crowther
,
C. L.
Schenck
,
T.
Besara
,
R. A.
Lalancette
,
T.
Siegrist
,
P. W.
Stephens
,
L. E.
Brus
,
P.
Kim
,
M. L.
Steigerwald
, and
C.
Nuckolls
,
Science
341
,
157
(
2013
).
3.
A.
Turkiewicz
,
D. W.
Paley
,
T.
Besara
,
G.
Elbaz
,
A.
Pinkard
,
T.
Siegrist
, and
X.
Roy
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
15873
(
2014
).
4.
E.
Meirzadeh
,
A. M.
Evans
,
M.
Rezaee
,
M.
Milich
,
C. J.
Dionne
,
T. P.
Darlington
,
S. T.
Bao
,
A. K.
Bartholomew
,
T.
Handa
,
D. J.
Rizzo
,
R. A.
Wiscons
,
M.
Reza
,
A.
Zangiabadi
,
N.
Fardian-Melamed
,
A. C.
Crowther
,
P. J.
Schuck
,
D. N.
Basov
,
X.
Zhu
,
A.
Giri
,
P. E.
Hopkins
,
P.
Kim
,
M. L.
Steigerwald
,
J.
Yang
,
C.
Nuckolls
, and
X.
Roy
,
Nature
613
,
71
(
2023
).
5.
C.-H.
Lee
,
L.
Liu
,
C.
Bejger
,
A.
Turkiewicz
,
T.
Goko
,
C. J.
Arguello
,
B. A.
Frandsen
,
S. C.
Cheung
,
T.
Medina
,
T. J. S.
Munsie
,
R.
D’Ortenzio
,
G. M.
Luke
,
T.
Besara
,
R. A.
Lalancette
,
T.
Siegrist
,
P. W.
Stephens
,
A. C.
Crowther
,
L. E.
Brus
,
Y.
Matsuo
,
E.
Nakamura
,
Y. J.
Uemura
,
P.
Kim
,
C.
Nuckolls
,
M. L.
Steigerwald
, and
X.
Roy
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
16926
(
2014
).
6.
E. J.
Telford
,
J. C.
Russell
,
J. R.
Swann
,
B.
Fowler
,
X.
Wang
,
K.
Lee
,
A.
Zangiabadi
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
C.
Nuckolls
,
P.
Batail
,
X.
Zhu
,
J. A.
Malen
,
C. R.
Dean
, and
X.
Roy
,
Nano Lett.
20
,
1718
(
2020
).
7.
Ø.
Fischer
,
R.
Odermatt
,
G.
Bongi
,
H.
Jones
,
R.
Chevrel
, and
M.
Sergent
,
Phys. Lett. A
45
,
87
(
1973
).
8.
T.
Handa
,
P.
Shih
,
C. S.
Koay
,
C.
Nuckolls
,
X.
Roy
,
T. C.
Berkelbach
, and
X.
Zhu
,
J. Phys. Chem. C
127
,
1519
(
2023
).
9.
G.
Liu
,
A.
Pinkard
,
S. M.
Ciborowski
,
V.
Chauhan
,
Z.
Zhu
,
A. P.
Aydt
,
S. N.
Khanna
,
X.
Roy
, and
K. H.
Bowen
,
Chem. Sci.
10
,
1760
(
2019
).
10.
S.
He
,
S.
Okuno
,
F. W.
Ng
,
X.
Pang
,
D. V.
Esposito
,
N. M.
Orchanian
,
M. L.
Steigerwald
,
X.
Roy
, and
C.
Nuckolls
,
J. Am. Chem. Soc.
145
,
8314
(
2023
).
11.
X.
Zhong
,
K.
Lee
,
B.
Choi
,
D.
Meggiolaro
,
F.
Liu
,
C.
Nuckolls
,
A.
Pasupathy
,
F.
De Angelis
,
P.
Batail
,
X.
Roy
, and
X.
Zhu
,
Nano Lett.
18
,
1483
(
2018
).
12.
J. A.
Tulyagankhodjaev
,
P.
Shih
,
J.
Yu
,
J. C.
Russell
,
D. G.
Chica
,
M. E.
Reynoso
,
H.
Su
,
A. C.
Stenor
,
X.
Roy
,
T. C.
Berkelbach
, and
M.
Delor
,
Science
382
,
438
(
2023
).
13.
A.
Sharma
,
L.
Zhang
,
J. O.
Tollerud
,
M.
Dong
,
Y.
Zhu
,
R.
Halbich
,
T.
Vogl
,
K.
Liang
,
H. T.
Nguyen
,
F.
Wang
,
S.
Sanwlani
,
S. K.
Earl
,
D.
Macdonald
,
P. K.
Lam
,
J. A.
Davis
, and
Y.
Lu
,
Light: Sci. Appl.
9
,
116
(
2020
).
14.
A. J.
Sneyd
,
T.
Fukui
,
D.
Paleček
,
S.
Prodhan
,
I.
Wagner
,
Y.
Zhang
,
J.
Sung
,
S. M.
Collins
,
T. J. A.
Slater
,
Z.
Andaji-Garmaroudi
,
L. R.
MacFarlane
,
J. D.
Garcia-Hernandez
,
L.
Wang
,
G. R.
Whittell
,
J. M.
Hodgkiss
,
K.
Chen
,
D.
Beljonne
,
I.
Manners
,
R. H.
Friend
, and
A.
Rao
,
Sci. Adv.
7
,
eabh4232
(
2021
).
15.
K.
Müller
,
K. S.
Schellhammer
,
N.
Gräßler
,
B.
Debnath
,
F.
Liu
,
Y.
Krupskaya
,
K.
Leo
,
M.
Knupfer
, and
F.
Ortmann
,
Nat. Commun.
14
,
5599
(
2023
).
16.
J. M.
Baxter
,
C. S.
Koay
,
D.
Xu
,
S.-W.
Cheng
,
J. A.
Tulyagankhodjaev
,
P.
Shih
,
X.
Roy
, and
M.
Delor
,
J. Phys. Chem. Lett.
14
,
10249
(
2023
).
17.
Q.
Li
,
F.
Liu
,
J. C.
Russell
,
X.
Roy
, and
X.
Zhu
,
J. Chem. Phys.
152
,
171101
(
2020
).
18.
J.
Chen
,
A. J.
Millis
, and
D. R.
Reichman
,
Phys. Rev. Mater.
2
,
114801
(
2018
).
19.
W.-P.
Su
,
J. R.
Schrieffer
, and
A. J.
Heeger
,
Phys. Rev. Lett.
42
,
1698
(
1979
).
22.
D. R.
Yarkony
and
R.
Silbey
,
J. Chem. Phys.
67
,
5818
(
1977
).
23.
G.
Venzl
and
S. F.
Fischer
,
Phys. Rev. B
32
,
6437
(
1985
).
24.
F.
Peeters
and
J.
Devreese
,
Phys. Rev. B
32
,
3515
(
1985
).
25.
T.
Hahn
,
N.
Nagaosa
,
C.
Franchini
, and
A. S.
Mishchenko
,
Phys. Rev. B
104
,
L161111
(
2021
).
26.
H.
Takayama
,
Y. R.
Lin-Liu
, and
K.
Maki
,
Phys. Rev. B
21
,
2388
(
1980
).
27.
29.
J.
Tempere
,
W.
Casteels
,
M.
Oberthaler
,
S.
Knoop
,
E.
Timmermans
, and
J.
Devreese
,
Phys. Rev. B
80
,
184504
(
2009
).
30.
K.
Seetharam
,
Y.
Shchadilova
,
F.
Grusdt
,
M. B.
Zvonarev
, and
E.
Demler
,
Phys. Rev. Lett.
127
,
185302
(
2021
).
31.
P.
Giannozzi
,
S.
Baroni
,
N.
Bonini
,
M.
Calandra
,
R.
Car
,
C.
Cavazzoni
,
D.
Ceresoli
,
G. L.
Chiarotti
,
M.
Cococcioni
,
I.
Dabo
,
A. D.
Corso
,
S.
de Gironcoli
,
S.
Fabris
,
G.
Fratesi
,
R.
Gebauer
,
U.
Gerstmann
,
C.
Gougoussis
,
A.
Kokalj
,
M.
Lazzeri
,
L.
Martin-Samos
,
N.
Marzari
,
F.
Mauri
,
R.
Mazzarello
,
S.
Paolini
,
A.
Pasquarello
,
L.
Paulatto
,
C.
Sbraccia
,
S.
Scandolo
,
G.
Sclauzero
,
A. P.
Seitsonen
,
A.
Smogunov
,
P.
Umari
, and
R. M.
Wentzcovitch
,
J. Phys.: Condens. Matter
21
,
395502
(
2009
).
32.
P.
Giannozzi
,
O.
Andreussi
,
T.
Brumme
,
O.
Bunau
,
M.
Buongiorno Nardelli
,
M.
Calandra
,
R.
Car
,
C.
Cavazzoni
,
D.
Ceresoli
,
M.
Cococcioni
,
N.
Colonna
,
I.
Carnimeo
,
A.
Dal Corso
,
S.
de Gironcoli
,
P.
Delugas
,
R. A.
DiStasio
,
A.
Ferretti
,
A.
Floris
,
G.
Fratesi
,
G.
Fugallo
,
R.
Gebauer
,
U.
Gerstmann
,
F.
Giustino
,
T.
Gorni
,
J.
Jia
,
M.
Kawamura
,
H.-Y.
Ko
,
A.
Kokalj
,
E.
Küçükbenli
,
M.
Lazzeri
,
M.
Marsili
,
N.
Marzari
,
F.
Mauri
,
N. L.
Nguyen
,
H.-V.
Nguyen
,
A.
Otero-de-la-Roza
,
L.
Paulatto
,
S.
Poncé
,
D.
Rocca
,
R.
Sabatini
,
B.
Santra
,
M.
Schlipf
,
A. P.
Seitsonen
,
A.
Smogunov
,
I.
Timrov
,
T.
Thonhauser
,
P.
Umari
,
N.
Vast
,
X.
Wu
, and
S.
Baroni
,
J. Phys.: Condens. Matter
29
,
465901
(
2017
).
33.
Y.
Hinuma
,
G.
Pizzi
,
Y.
Kumagai
,
F.
Oba
, and
I.
Tanaka
,
Comput. Mater. Sci.
128
,
140
(
2017
).
34.
R. W.
Munn
and
R.
Silbey
,
J. Chem. Phys.
83
,
1854
(
1985
).
35.
Y.
Zhao
,
D. W.
Brown
, and
K.
Lindenberg
,
J. Chem. Phys.
100
,
2335
(
1994
).
36.
R.
Silbey
and
R. W.
Munn
,
J. Chem. Phys.
72
,
2763
(
1980
).
37.
K.
Hannewald
,
V.
Stojanović
,
J.
Schellekens
,
P.
Bobbert
,
G.
Kresse
, and
J.
Hafner
,
Phys. Rev. B
69
,
075211
(
2004
).
38.
A.
Troisi
and
G.
Orlandi
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
086601
(
2006
).
39.
V.
Coropceanu
,
J.
Cornil
,
D. A.
da Silva Filho
,
Y.
Olivier
,
R.
Silbey
, and
J.-L.
Brédas
,
Chem. Rev.
107
,
926
(
2007
).
40.
L.
Wang
,
D.
Beljonne
,
L.
Chen
, and
Q.
Shi
,
J. Chem. Phys.
134
,
244116
(
2011
).
41.
J. H.
Fetherolf
,
D.
Golež
, and
T. C.
Berkelbach
,
Phys. Rev. X
10
,
021062
(
2020
).
42.
44.
G.
Whitfield
and
P. B.
Shaw
,
Phys. Rev. B
14
,
3346
(
1976
).
46.
B.
Gerlach
and
H.
Löwen
,
Rev. Mod. Phys.
63
,
63
(
1991
).
47.
D. J. J.
Marchand
,
G.
De Filippis
,
V.
Cataudella
,
M.
Berciu
,
N.
Nagaosa
,
N. V.
Prokof’ev
,
A. S.
Mishchenko
, and
P. C. E.
Stamp
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
266605
(
2010
).
48.
Y.
Zhang
,
L.
Duan
,
Q.
Chen
, and
Y.
Zhao
,
J. Chem. Phys.
137
,
034108
(
2012
).
49.
C.
Zhang
,
N. V.
Prokof’ev
, and
B. V.
Svistunov
,
Phys. Rev. B
104
,
035143
(
2021
).
50.
Y.
Toyozawa
,
Prog. Theor. Phys.
26
,
29
(
1961
).
51.
Y.
Zhao
,
D. W.
Brown
, and
K.
Lindenberg
,
J. Chem. Phys.
107
,
3159
(
1997
).
52.
V.
Čápek
and
D.
Krausová
,
Czech J. Phys.
37
,
1201
(
1987
).
53.
Y.
Zhao
,
J. Chem. Phys.
158
,
080901
(
2023
).
54.
N.
Miyasaka
and
Y.
Ono
,
J. Phys. Soc. Jpn.
70
,
2968
(
2001
).
55.
Y.
Zhao
,
D. W.
Brown
, and
K.
Lindenberg
,
J. Chem. Phys.
106
,
2728
(
1997
).
56.
E. G.
Wilson
,
J. Phys. C: Solid State Phys.
16
,
6739
(
1983
).
You do not currently have access to this content.