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對扭曲雙層石墨烯強相關(guān)性和超導(dǎo)性的觀察，激發(fā)了人們對基礎(chǔ)物理學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)的極大興趣。在該系統(tǒng)中，兩個扭曲的蜂窩狀晶格的疊加，產(chǎn)生moiré模式，是觀測到平坦電子帶、慢電子速度和大態(tài)密度的關(guān)鍵。

人們迫切希望將雙分子層扭曲電子學(xué)擴(kuò)展到新的結(jié)構(gòu)，這將為研究雙分子層石墨烯之外的扭曲電子學(xué)提供令人興奮的前景。

在此，來自山西大學(xué)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(guān)光學(xué)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(guān)論文以題為“Atomic Bose–Einstein condensate in twisted-bilayer optical lattices”于2023年02月22日發(fā)表在Nature上。

晶格體系中的新帶結(jié)構(gòu)，往往會導(dǎo)致新的材料功能和發(fā)現(xiàn)。扭曲電子學(xué)起源于雙扭層石墨烯作為可調(diào)實驗平臺，近年來受到廣泛關(guān)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(guī)超導(dǎo)和相關(guān)絕緣相共存。

近年來，人們發(fā)現(xiàn)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(zhì)。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(xué)晶格中的超冷原子，構(gòu)成了凝聚態(tài)物理中模擬新出現(xiàn)的多體現(xiàn)象的理想平臺。不同的光學(xué)晶格幾何，可以通過干涉不同的激光束來實現(xiàn)。特別地，最近提出了一種利用兩個重疊光學(xué)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(zhì)結(jié)構(gòu)的其他方案。這些方案是基于原子自旋態(tài)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(xué)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(guān)光學(xué)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(tài)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(xiàn)最低平坦帶和新的相關(guān)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(jìn)的超流體到絕緣體的轉(zhuǎn)變。該方案是通用的，可以應(yīng)用于不同的晶格幾何和玻色子和費米子系統(tǒng)。這為在具有高度可控光學(xué)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(guān)光學(xué)晶格中原子的扭曲雙層系統(tǒng)的模擬

圖2. 不同自旋態(tài)原子在扭曲雙層光學(xué)晶格上的獨立衍射

圖3. 扭曲雙分子層光學(xué)晶格的層間耦合

圖4. 扭曲雙分子層光學(xué)晶格中的Moiré模式和超流體基態(tài)

圖5. 扭曲雙分子層光學(xué)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(zhǔn)無序的復(fù)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(tǒng)。這些復(fù)雜相值得在未來進(jìn)一步研究。

本文主要研究了雙分子層光學(xué)方形晶格中原子基態(tài)性質(zhì)的實現(xiàn)。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(tǒng)中的相關(guān)超流體。除了可調(diào)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(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的物理密切相關(guān)。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(dǎo)。用光學(xué)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?fù)浠鶓B(tài)。最后，該光學(xué)晶格方案可以應(yīng)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(guān)的平帶區(qū)超導(dǎo)現(xiàn)象的出現(xiàn)提供見解。

作者簡介

張靖，男，1974年1月生，山西文水人，現(xiàn)任山西大學(xué)光電所所長和量子光學(xué)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(xué)者”特聘教授、國家重點研發(fā)計劃項目首席科學(xué)家、國家基金委創(chuàng)新群體帶頭人、國家杰出專業(yè)技術(shù)人才、國家中青年科技領(lǐng)軍人才、美國光學(xué)學(xué)會會士（OSA Fellow）、美國物理學(xué)會會士（APS Fellow）。

1995年畢業(yè)于武漢華中科技大學(xué)光電子專業(yè)，2001年于山西大學(xué)光學(xué)專業(yè)畢業(yè)并獲博士學(xué)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(biāo)的實驗研究。2002年3月– 2003年9月在英國威爾士班戈大學(xué)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(xué)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(xué)光電研究所，從事連續(xù)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(nèi)首次實現(xiàn)費米氣體量子簡并；2012年，在國際上首次實驗產(chǎn)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(xù)變量量子信息、超冷原子、以及激光技術(shù)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(fā)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(fā)表論文百余篇，在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物Nature 子刊、Phys. Rev. Lett.、 Phys. Rev. A等雜志上發(fā)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(fù)責(zé)人獲國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金，2009年獲“長江學(xué)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(yè)技術(shù)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(tuán)隊” ，2018年入選美國光學(xué)學(xué)會會士（OSA Fellow），2019年美國物理學(xué)會會士（APS Fellow），2020年獲得第二屆“科學(xué)探索獎”。還曾獲政府特殊津貼，新世紀(jì)國家百千萬人才，山西省高等學(xué)校拔尖創(chuàng)新人才，山西省“新世紀(jì)學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人 333 人才工程”，三晉學(xué)者，山西省“全省優(yōu)秀共產(chǎn)黨員”榮譽稱號，山西省五一勞動獎?wù)拢珖逡粍趧营務(wù)碌取?/span>

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(shù)發(fā)明二等獎；“半導(dǎo)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(jìn)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(chǔ)光學(xué)二等獎；“糾纏態(tài)光場及連續(xù)變量量子通信研究”獲2006年度國家自然科學(xué)二等獎；“連續(xù)變量多組份糾纏及其在量子信息網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究”獲2010年度山西省自然科學(xué)一等獎；“基于超冷費米氣體的量子調(diào)控”獲2018年度山西省自然科學(xué)一等獎與2020年度國家自然科學(xué)二等獎。

目前，他已培養(yǎng)畢業(yè)碩士和博士生30多名。其中，指導(dǎo)的博士研究生王鵬軍的學(xué)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(yōu)秀博士學(xué)位論文提名獎；指導(dǎo)的博士研究生付正坤于2013年在Nature Phys.發(fā)表學(xué)術(shù)論文；指導(dǎo)的博士研究生黃良輝于2016年在Nature Phys.發(fā)表學(xué)術(shù)論文，并入選“中國百篇最具影響國際學(xué)術(shù)論文”，其學(xué)位論文獲2016年度全國光學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎。

文獻(xiàn)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(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2023/10/12/c999f879b8/

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