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對扭曲雙層石墨烯強相關性和超導性的觀察，激發了人們對基礎物理學和應用物理學的極大興趣。在該系統中，兩個扭曲的蜂窩狀晶格的疊加，產生moiré模式，是觀測到平坦電子帶、慢電子速度和大態密度的關鍵。

人們迫切希望將雙分子層扭曲電子學擴展到新的結構，這將為研究雙分子層石墨烯之外的扭曲電子學提供令人興奮的前景。

在此，來自山西大學的張靖等研究者展示了基于原子玻色-愛因斯坦凝聚體加載到自旋相關光學晶格的扭曲雙層方晶格中超流體到Mott絕緣體躍遷的量子模擬。相關論文以題為“Atomic Bose–Einstein condensate in twisted-bilayer optical lattices”于2023年02月22日發表在Nature上。

晶格體系中的新帶結構，往往會導致新的材料功能和發現。扭曲電子學起源于雙扭層石墨烯作為可調實驗平臺，近年來受到廣泛關注，展開了密集的理論研究。在這里，以較小的相對角度疊加兩層石墨烯層，顯示了豐富的相圖，如非常規超導和相關絕緣相共存。

近年來，人們發現了許多扭曲雙分子層，它們具有未扭曲雙分子層所不具有的顯著物理性質。最近，光子moiré晶格在定位和離域光和工程聲子極化激元的光子色散方面的能力也被人們廣泛探索。

光學晶格中的超冷原子，構成了凝聚態物理中模擬新出現的多體現象的理想平臺。不同的光學晶格幾何，可以通過干涉不同的激光束來實現。特別地，最近提出了一種利用兩個重疊光學晶格模擬扭曲雙層晶格的方案。人們還提出了模擬雙分子層異質結構的其他方案。這些方案是基于原子自旋態之間的相干耦合，它模擬了沿人工合成維度的層間隧道。

在此，研究者展示了銣-87 (⁸⁷Rb)原子的玻色-愛因斯坦凝聚(BEC)加載到一對雙分子層光學晶格中。研究者展示了基于原子玻色-愛因斯坦凝聚體加載到自旋相關光學晶格的扭曲雙層方晶格中超流體到Mott絕緣體躍遷的量子模擬。

晶格由兩組激光束組成，這些激光束獨立地處理處于不同自旋狀態的原子，形成容納兩層的合成維度。層間耦合被微波場高度可控，這使得在強耦合極限中出現最低平坦帶和新的相關相位。

研究者直接觀測到空間moiré圖和動量衍射，證實了在扭曲雙分子層晶格中存在兩種形式的超流體和一種改進的超流體到絕緣體的轉變。該方案是通用的，可以應用于不同的晶格幾何和玻色子和費米子系統。這為在具有高度可控光學晶格的超冷原子中探索moiré物理開辟了新的方向。

圖1. 基于自旋相關光學晶格中原子的扭曲雙層系統的模擬

圖2. 不同自旋態原子在扭曲雙層光學晶格上的獨立衍射

圖3. 扭曲雙分子層光學晶格的層間耦合

圖4. 扭曲雙分子層光學晶格中的Moiré模式和超流體基態

圖5. 扭曲雙分子層光學晶格的相變

綜上所述，這項工作為SF和SF- ii (MI和SF- ii或MI和I)之間的量子相變提供了初步的物理見解，并提供了研究由于大層間耦合和強相互作用引起的準無序的復雜相的可能性，例如玻色玻璃絕緣體，類似于無序玻色子系統。這些復雜相值得在未來進一步研究。

本文主要研究了雙分子層光學方形晶格中原子基態性質的實現。研究者成功地將超流體加載到雙分子層晶格中，展示了一個新的多功能平臺，可以探索moiré物理和量子多體系統中的相關超流體。除了可調的扭曲角度，冷原子平臺還提供了出色的控制，如不同的晶格深度和不同層的層間耦合。

此外，扭曲雙分子層方形晶格與扭曲原子薄半導體異質結構的物理密切相關。同時，該實驗在原理上可以推廣到多層晶格中，在多層晶格中，層間耦合可以由MW和射頻獨立誘導。用光學拉曼躍遷代替微波，使層間耦合具有空間依賴性，從而支持拓撲基態。最后，該光學晶格方案可以應用于將費米子原子限制在雙層六方晶格中，它忠實地模擬了雙層石墨烯中的電子，并可能為強相關的平帶區超導現象的出現提供見解。

作者簡介

張靖，男，1974年1月生，山西文水人，現任山西大學光電所所長和量子光學與光量子器件國家重點實驗室主任，國家杰出青年基金獲得者、”長江學者”特聘教授、國家重點研發計劃項目首席科學家、國家基金委創新群體帶頭人、國家杰出專業技術人才、國家中青年科技領軍人才、美國光學學會會士（OSA Fellow）、美國物理學會會士（APS Fellow）。

1995年畢業于武漢華中科技大學光電子專業，2001年于山西大學光學專業畢業并獲博士學位。2000年1月– 2000年4月在日本國家計量研究所從事全固化單頻綠光激光器碘分子光頻標的實驗研究。2002年3月– 2003年9月在英國威爾士班戈大學S. L. Braunstein教授量子信息小組做博士后。2003年9月– 2004年9月在法國巴黎高等師范學校（ENS）物理系Kastler-Brossel實驗室C. Salomon教授小組開展超冷費米氣體的實驗研究。2004年9月，回到山西大學光電研究所，從事連續變量量子通信和超冷原子的實驗與理論工作。2007年8月，在國內首次實現費米氣體量子簡并；2012年，在國際上首次實驗產生了自旋軌道耦合的量子簡并費米氣體。目前主要從事連續變量量子信息、超冷原子、以及激光技術等方面的研究。

主持多項國家和省部級項目，包括主持國家重點研發計劃項目1項（項目首席），國家973課題3項和國家基金重點項目2項。先后發表論文百余篇，在國內外學術刊物Nature 子刊、Phys. Rev. Lett.、 Phys. Rev. A等雜志上發表論文百余篇，被SCI他人引用4000余次。獲多項榮譽，2007年獲得國家杰出青年基金的資助，2008年作為負責人獲國家自然科學基金創新研究群體科學基金，2009年獲“長江學者”特聘教授。2013年榮獲2012-2013年度“饒毓泰物理獎”，2014年榮獲“全國杰出專業技術人才”榮譽稱號。2017年作為帶頭人入選“全國高校黃大年式教師團隊” ，2018年入選美國光學學會會士（OSA Fellow），2019年美國物理學會會士（APS Fellow），2020年獲得第二屆“科學探索獎”。還曾獲政府特殊津貼，新世紀國家百千萬人才，山西省高等學校拔尖創新人才，山西省“新世紀學術技術帶頭人 333 人才工程”，三晉學者，山西省“全省優秀共產黨員”榮譽稱號，山西省五一勞動獎章，全國五一勞動獎章等。

并且，研究成果，“全固體化單模單頻綠光激光器”獲2002年度國家技術發明二等獎；“半導體激光器強度和位相噪聲的實驗與理論研究”獲2003年度山西省科技進步一等獎；“光場量子信息與量子通信的實驗與理論研究”獲第五屆饒毓泰基礎光學二等獎；“糾纏態光場及連續變量量子通信研究”獲2006年度國家自然科學二等獎；“連續變量多組份糾纏及其在量子信息網絡中的應用研究”獲2010年度山西省自然科學一等獎；“基于超冷費米氣體的量子調控”獲2018年度山西省自然科學一等獎與2020年度國家自然科學二等獎。

目前，他已培養畢業碩士和博士生30多名。其中，指導的博士研究生王鵬軍的學位論文《超冷玻色費米氣體的集體原子反沖行為和Feshbach共振》獲得全國優秀博士學位論文提名獎；指導的博士研究生付正坤于2013年在Nature Phys.發表學術論文；指導的博士研究生黃良輝于2016年在Nature Phys.發表學術論文，并入選“中國百篇最具影響國際學術論文”，其學位論文獲2016年度全國光學優秀博士學位論文獎。

文獻信息

Meng, Z., Wang, L., Han, W.?et al.?Atomic Bose–Einstein condensate in twisted-bilayer optical lattices.?Nature?(2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05695-4

原文鏈接：

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

http://ioe.sxu.edu.cn/kyry/787e6daee3aa41f4ac8343da4bd4fe89.htm

原創文章，作者：Gloria，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/10/12/c999f879b8/

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