我校张靖教授等研究者展示了基于原子玻色-爱因斯坦凝聚体加载到自旋相关光学晶格的扭曲双层方晶格中超流体到Mott绝缘体跃迁的量子模拟。相关论文以题为“Atomic Bose–Einstein condensate in twisted-bilayer optical lattices”于2023年02月22日发表在Nature上。
晶格体系中的新带结构，往往会导致新的材料功能和发现。扭曲电子学起源于双扭层石墨烯作为可调实验平台，近年来受到广泛关注，展开了密集的理论研究。在这里，以较小的相对角度叠加两层石墨烯层，显示了丰富的相图，如非常规超导和相关绝缘相共存。 近年来，人们发现了许多扭曲双分子层，它们具有未扭曲双分子层所不具有的显著物理性质。最近，光子moiré晶格在定位和离域光和工程声子极化激元的光子色散方面的能力也被人们广泛探索。 光学晶格中的超冷原子，构成了凝聚态物理中模拟新出现的多体现象的理想平台。不同的光学晶格几何，可以通过干涉不同的激光束来实现。特别地，最近提出了一种利用两个重叠光学晶格模拟扭曲双层晶格的方案。人们还提出了模拟双分子层异质结构的其他方案。这些方案是基于原子自旋态之间的相干耦合，它模拟了沿人工合成维度的层间隧道。 在此，研究者展示了铷-87 (87Rb)原子的玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)加载到一对双分子层光学晶格中。研究者展示了基于原子玻色-爱因斯坦凝聚体加载到自旋相关光学晶格的扭曲双层方晶格中超流体到Mott绝缘体跃迁的量子模拟。晶格由两组激光束组成，这些激光束独立地处理处于不同自旋状态的原子，形成容纳两层的合成维度。层间耦合被微波场高度可控，这使得在强耦合极限中出现最低平坦带和新的相关相位。 研究者直接观测到空间moiré图和动量衍射，证实了在扭曲双分子层晶格中存在两种形式的超流体和一种改进的超流体到绝缘体的转变。该方案是通用的，可以应用于不同的晶格几何和玻色子和费米子系统。这为在具有高度可控光学晶格的超冷原子中探索moiré物理开辟了新的方向。图1. 基于自旋相关光学晶格中原子的扭曲双层系统的模拟图2. 不同自旋态原子在扭曲双层光学晶格上的独立衍射
图3. 扭曲双分子层光学晶格的层间耦合
图4. 扭曲双分子层光学晶格中的Moiré模式和超流体基态 综上所述，这项工作为SF和SF- ii (MI和SF- ii或MI和I)之间的量子相变提供了初步的物理见解，并提供了研究由于大层间耦合和强相互作用引起的准无序的复杂相的可能性，例如玻色玻璃绝缘体，类似于无序玻色子系统。这些复杂相值得在未来进一步研究。 本文主要研究了双分子层光学方形晶格中原子基态性质的实现。研究者成功地将超流体加载到双分子层晶格中，展示了一个新的多功能平台，可以探索moiré物理和量子多体系统中的相关超流体。除了可调的扭曲角度，冷原子平台还提供了出色的控制，如不同的晶格深度和不同层的层间耦合。 此外，扭曲双分子层方形晶格与扭曲原子薄半导体异质结构的物理密切相关。同时，该实验在原理上可以推广到多层晶格中，在多层晶格中，层间耦合可以由MW和射频独立诱导。用光学拉曼跃迁代替微波，使层间耦合具有空间依赖性，从而支持拓扑基态。最后，该光学晶格方案可以应用于将费米子原子限制在双层六方晶格中，它忠实地模拟了双层石墨烯中的电子，并可能为强相关的平带区超导现象的出现提供见解。
