近期，山西大學(xué)張靖教授研究團(tuán)隊(duì)在《Nature》上發(fā)表了題為“Atomic Bose-Einstein condensate in twisted-bilayer optical lattices”(“扭轉(zhuǎn)雙層光晶格中的玻色-愛因斯坦凝聚”)”的研究論文。

這實(shí)現(xiàn)了山西大學(xué)以第一署名單位在Nature正刊上零的突破；在國際上，首次基于超冷原子氣體系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了二維扭轉(zhuǎn)雙層光晶格。

該研究論文是在該課題組搭建的超冷原子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成，青年教師孟增明和博士生王良偉為該論文的共同第一作者。美國芝加哥大學(xué)金政教授、浙江師范大學(xué)高超教授參與合作完成。

扭曲雙層材料包括兩片堆疊和錯(cuò)位的2D石墨烯。2018年對(duì)該結(jié)構(gòu)中非常規(guī)超導(dǎo)性的檢測引起了人們對(duì)這種扭曲雙層材料的極大興趣。

這些系統(tǒng)包含稱為摩爾紋圖案的原子排列，這些排列是設(shè)計(jì)不尋常的電子能帶結(jié)構(gòu)和物質(zhì)量子相的關(guān)鍵。被捕獲在稱為光晶格的激光束陣列中的超冷原子構(gòu)成了模擬凝聚態(tài)物理學(xué)中多體現(xiàn)象的理想平臺(tái)，具有多功能可調(diào)性，然而，到目前為止，很難使用這種設(shè)置來模擬扭曲雙層材料。

觀察扭曲雙層石墨烯中的強(qiáng)相關(guān)性和超導(dǎo)性激發(fā)了研究者對(duì)基礎(chǔ)物理學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)的巨大興趣。

在這個(gè)系統(tǒng)中，兩個(gè)扭曲的蜂窩晶格的疊加，產(chǎn)生摩爾紋圖案，是觀察到的扁平電子帶、慢電子速度和大狀態(tài)密度的關(guān)鍵。非常需要將雙絞線雙層系統(tǒng)擴(kuò)展到新的配置，這可以為研究雙層石墨烯以外的扭曲電子學(xué)提供令人興奮的前景。

在這里，研究人員展示了基于加載到自旋相關(guān)光學(xué)晶格中的原子玻色-愛因斯坦凝聚物的扭曲雙層方形晶格中超流體到莫特絕緣體躍遷的量子模擬。

圖1 扭轉(zhuǎn)雙層光晶格(a)單層原子氣體，兩組“tune-out”波長激光；(b)雙層扭轉(zhuǎn)光晶格示意圖，微波耦合雙層原子自旋態(tài)；(c)原子塞曼子能級(jí)

晶格由兩組激光束組成，這些激光束獨(dú)立地處理處于不同自旋狀態(tài)的原子，這些原子形成了容納兩層的合成維度。層間耦合由微波場高度控制，這使得在強(qiáng)耦合極限中出現(xiàn)最低的平帶和新的相關(guān)相位成為可能。

圖2 扭轉(zhuǎn)雙層光晶格中的莫爾條紋和超流基態(tài)(a)水平莫爾條紋；(c)豎直莫爾條紋；(e)正方莫爾條紋；(g)原子自由飛行展開后動(dòng)量空間的衍射圖像；(i)莫爾條紋和衍射圖像的對(duì)比度；(b, d, f, h)理論計(jì)算圖

研究者直接觀察到空間莫爾圖案和動(dòng)量衍射，這證實(shí)了扭曲雙層晶格中存在兩種形式的超流體和一種改良的超流體到絕緣體的轉(zhuǎn)變。他們的方案是通用的，可以應(yīng)用于不同的晶格幾何形狀以及玻色子和費(fèi)米子系統(tǒng)。這為探索具有高度可控光學(xué)晶格的超冷原子中的莫爾物理開辟了新的方向。

針對(duì)這一發(fā)現(xiàn)，《Nature》“研究簡報(bào)(Research briefing)”欄目發(fā)表《利用超冷原子模擬扭曲雙層材料》(《Twisted-bilayer materials simulated using ultracold atoms》)，對(duì)該研究成果進(jìn)行宣傳報(bào)道。

Research briefing

該實(shí)驗(yàn)結(jié)果將扭曲雙層結(jié)構(gòu)的研究從電子系統(tǒng)擴(kuò)展到中性原子系統(tǒng)；高度可控的冷原子平臺(tái)為設(shè)計(jì)具有不同層數(shù)、幾何形狀和原子間多體相互作用的扭曲光晶格提供了許多可能性；用所謂的拉曼光場代替微波場將使層間耦合在空間上依賴，并能夠形成稱為拓?fù)浠鶓B(tài)的物質(zhì)奇異相。

此外，《Science Bulletin》也將以《利用原子和光合成扭曲雙層材料》(《Synthetic twisted bilayers made by atoms and light》) 為題對(duì)該工作做亮點(diǎn)報(bào)道:

Research briefing

擺在面前的是一個(gè)令人興奮的研究計(jì)劃，以進(jìn)一步調(diào)整和利用這些設(shè)置的潛力。人們可以瞄準(zhǔn)觀察魔角石墨烯的物理學(xué)，但旋轉(zhuǎn)角度更大，受益于韌性。

此外，人們可以打開系統(tǒng)的相互作用，以更好地理解固態(tài)實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)相關(guān)現(xiàn)象。合成平臺(tái)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是沒有電子 - 聲子耦合，這有助于闡明其在固態(tài)系統(tǒng)中觀察到的強(qiáng)相關(guān)現(xiàn)象中的作用。

此外，通過利用更大的超精細(xì)多重，人們可以模擬扭曲多層系統(tǒng)的物理學(xué)，這已被證明在真實(shí)材料中顯示出非常豐富的現(xiàn)象學(xué)。

最后，人們可以用與凝聚態(tài)物理學(xué)完全不同的方式研究這些合成系統(tǒng)，例如使用局部探針[5]。無論選擇何種方向，Meng等人的工作必將成為旋律學(xué)這一新研究領(lǐng)域的基石，這必將帶來新的見解。

參考文獻(xiàn)：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05695-4

https://www.nature.com/articles/d41586-023-00314-8

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927323001366

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