Quantum particles on a lattice with competing long-range interactions are ubiquitous in physics; transition metal oxides1,2, layered molecular crystals3 and trapped-ion arrays4 are a few examples. In the strongly interacting regime, these systems often show a rich variety of quantum many-body ground states that challenge theory2. The emergence of transition metal dichalcogenide moiré superlattices provides a highly controllable platform in which to study long-range electronic correlations5-12. Here we report an observation of nearly two dozen correlated insulating states at fractional fillings of tungsten diselenide/tungsten disulfide moiré superlattices. This finding is enabled by a new optical sensing technique that is based on the sensitivity to the dielectric environment of the exciton excited states in a single-layer semiconductor of tungsten diselenide. The cascade of insulating states shows an energy ordering that is nearly symmetric about a filling factor of half a particle per superlattice site. We propose a series of charge-ordered states at commensurate filling fractions that range from generalized Wigner crystals7 to charge density waves. Our study lays the groundwork for using moiré superlattices to simulate a wealth of quantum many-body problems that are described by the two-dimensional extended Hubbard model3,13,14 or spin models with long-range charge-charge and exchange interactions15,16.

中文翻译：

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莫尔超晶格部分填充的相关绝缘状态

具有竞争性长程相互作用的晶格上的量子粒子在物理学中无处不在。过渡金属氧化物 1、2、层状分子晶体 3 和俘获离子阵列 4 是一些例子。在强相互作用体系中，这些系统通常表现出丰富多样的量子多体基态，挑战理论2。过渡金属二硫属化物莫尔超晶格的出现提供了一个高度可控的平台，用于研究长程电子相关性 5-12。在这里，我们报告了在二硒化钨/二硫化钨莫尔超晶格的部分填充处观察到的近二打相关绝缘状态。这一发现是通过一种新的光学传感技术实现的，该技术基于对二硒化钨单层半导体中激子激发态介电环境的敏感性。绝缘状态的级联显示了一种能量排序，它几乎是关于每个超晶格位点半个粒子的填充因子对称的。我们提出了一系列具有相称填充率的电荷有序状态，其范围从广义维格纳晶体 7 到电荷密度波。我们的研究为使用莫尔超晶格模拟大量量子多体问题奠定了基础，这些问题由二维扩展哈伯德模型 3,13,14 或具有远程电荷-电荷和交换相互作用的自旋模型 15,16 描述。绝缘状态的级联显示了一种能量排序，它几乎是关于每个超晶格位点半个粒子的填充因子对称的。我们提出了一系列具有相称填充率的电荷有序状态，其范围从广义维格纳晶体 7 到电荷密度波。我们的研究为使用莫尔超晶格模拟大量量子多体问题奠定了基础，这些问题由二维扩展哈伯德模型 3,13,14 或具有远程电荷-电荷和交换相互作用的自旋模型 15,16 描述。绝缘状态的级联显示了一种能量排序，它几乎是关于每个超晶格位点半个粒子的填充因子对称的。我们提出了一系列具有相称填充率的电荷有序状态，其范围从广义维格纳晶体 7 到电荷密度波。我们的研究为使用莫尔超晶格模拟大量量子多体问题奠定了基础，这些问题由二维扩展哈伯德模型 3,13,14 或具有远程电荷-电荷和交换相互作用的自旋模型 15,16 描述。