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对扭曲双层石墨烯强相关性和超导性的观察，激发了人们对基础物理学和应用物理学的极大兴趣。在该系统中，两个扭曲的蜂窝状晶格的叠加，产生moiré模式，是观测到平坦电子带、慢电子速度和大态密度的关键。

人们迫切希望将双分子层扭曲电子学扩展到新的结构，这将为研究双分子层石墨烯之外的扭曲电子学提供令人兴奋的前景。

在此，来自山西大学的张靖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

图5. 扭曲双分子层光学晶格的相变

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。

作者简介

张靖，男，1974年1月生，山西文水人，现任山西大学光电所所长和量子光学与光量子器件国家重点实验室主任，国家杰出青年基金获得者、”长江学者”特聘教授、国家重点研发计划项目首席科学家、国家基金委创新群体带头人、国家杰出专业技术人才、国家中青年科技领军人才、美国光学学会会士（OSA Fellow）、美国物理学会会士（APS Fellow）。

1995年毕业于武汉华中科技大学光电子专业，2001年于山西大学光学专业毕业并获博士学位。2000年1月– 2000年4月在日本国家计量研究所从事全固化单频绿光激光器碘分子光频标的实验研究。2002年3月– 2003年9月在英国威尔士班戈大学S. L. Braunstein教授量子信息小组做博士后。2003年9月– 2004年9月在法国巴黎高等师范学校（ENS）物理系Kastler-Brossel实验室C. Salomon教授小组开展超冷费米气体的实验研究。2004年9月，回到山西大学光电研究所，从事连续变量量子通信和超冷原子的实验与理论工作。2007年8月，在国内首次实现费米气体量子简并；2012年，在国际上首次实验产生了自旋轨道耦合的量子简并费米气体。目前主要从事连续变量量子信息、超冷原子、以及激光技术等方面的研究。

主持多项国家和省部级项目，包括主持国家重点研发计划项目1项（项目首席），国家973课题3项和国家基金重点项目2项。先后发表论文百余篇，在国内外学术刊物Nature 子刊、Phys. Rev. Lett.、 Phys. Rev. A等杂志上发表论文百余篇，被SCI他人引用4000余次。获多项荣誉，2007年获得国家杰出青年基金的资助，2008年作为负责人获国家自然科学基金创新研究群体科学基金，2009年获“长江学者”特聘教授。2013年荣获2012-2013年度“饶毓泰物理奖”，2014年荣获“全国杰出专业技术人才”荣誉称号。2017年作为带头人入选“全国高校黄大年式教师团队” ，2018年入选美国光学学会会士（OSA Fellow），2019年美国物理学会会士（APS Fellow），2020年获得第二届“科学探索奖”。还曾获政府特殊津贴，新世纪国家百千万人才，山西省高等学校拔尖创新人才，山西省“新世纪学术技术带头人 333 人才工程”，三晋学者，山西省“全省优秀共产党员”荣誉称号，山西省五一劳动奖章，全国五一劳动奖章等。

并且，研究成果，“全固体化单模单频绿光激光器”获2002年度国家技术发明二等奖；“半导体激光器强度和位相噪声的实验与理论研究”获2003年度山西省科技进步一等奖；“光场量子信息与量子通信的实验与理论研究”获第五届饶毓泰基础光学二等奖；“纠缠态光场及连续变量量子通信研究”获2006年度国家自然科学二等奖；“连续变量多组份纠缠及其在量子信息网络中的应用研究”获2010年度山西省自然科学一等奖；“基于超冷费米气体的量子调控”获2018年度山西省自然科学一等奖与2020年度国家自然科学二等奖。

目前，他已培养毕业硕士和博士生30多名。其中，指导的博士研究生王鹏军的学位论文《超冷玻色费米气体的集体原子反冲行为和Feshbach共振》获得全国优秀博士学位论文提名奖；指导的博士研究生付正坤于2013年在Nature Phys.发表学术论文；指导的博士研究生黄良辉于2016年在Nature Phys.发表学术论文，并入选“中国百篇最具影响国际学术论文”，其学位论文获2016年度全国光学优秀博士学位论文奖。

文献信息

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

原文链接：

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

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

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/12/c999f879b8/

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