山西大学首篇一作Nature！开辟超冷原子量子模拟新道路

光子盒研究院出品

近期，《自然》期刊在线发表了山西大学光电研究所、量子光学与光量子器件国家重点实验室的研究论文《扭曲层光学晶格中的原子玻色-爱因斯坦凝聚(Atomic Bose–Einstein condensate in twisted-bilayer optical lattices)》，实现了山西大学以第一署名单位在该正刊上零的突破。

山西大学张靖教授课题组的青年教师孟增明、博士生王良伟是该论文的共同第一作者，美国芝加哥大学金政教授、浙江师范大学高超教授也参与了此项联合研究。
一经发出，国内外媒体也纷纷对这一进展给与支持、报道：例如，《Nature》“研究简报(Research briefing)”栏目发表了《利用超冷原子模拟扭曲双层材料》(《Twisted-bilayer materials simulated using ultracold atoms》)；《Science Bulletin》也以《利用原子和光合成扭曲双层材料》(《Synthetic twisted bilayers made by atoms and light》) 为题，刊登了相关亮点报道。
论文本身内容也极具突破意义。研究组攻坚克难、另辟蹊径，经过多年的持续科研积累，在国际上，首次基于超冷原子气体系统实验实现了二维扭转双层光晶格，并开展了超流态到莫特绝缘态量子相变的一系列研究。

扭转双层光晶格示意图

将两个二维周期晶格扭转一个角度可以产生莫尔超晶格，这一现象被广泛应用于光学精密检测、图像处理、艺术设计、纺织工业以及建筑学等。最近研究发现莫尔超晶格不但具有独特的美学价值，而且在量子系统中还可能导致各种新奇的物理效应——一个著名的例子是扭转双层石墨烯。
石墨烯是近年来科学家广泛关注的一种功能材料。在类似的扭转二维材料的莫尔超晶格体系中，莫尔超晶格的倒空间布里渊区尺度远小于原晶格的布里渊区，因此扭转角度还使得体系在低掺杂浓度和小范围布里渊区时就可以观测到丰富的物理图像。由此诞生了一个新兴的研究领域：扭转电子学。
扭转角度作为一个可调的维度，已在石墨烯、过渡金属硫族化合物等各种材料中广泛开展研究，这些材料的性质主要取决于电子在莫尔超晶格中的运动。但是，目前二维扭转双层石墨烯中的超导机理还不完全清楚，这是当前凝聚态物理的一个研究热点和难点。如何将扭转电子学拓展到新的量子系统引起了科学家的广泛兴趣。
超冷原子系统跟石墨烯相比具有明显的不同，在石墨烯中决定其性质的电子是带电粒子，是自旋为半整数的费米子；而超冷原子是电中性的，可以是费米子也可以是玻色子。而超冷原子气体系统纯净且具有强大的人工操控性和宏观量子相干性，几十年来，利用该系统在模拟凝聚态物理、高能物理、天体物理、化学反应等领域已经取得了丰硕的成果，为超冷原子体系模拟扭转双层材料以及制备新的量子态奠定了重要基础。
为了进一步拓展扭转电子学的研究范围，深入理解莫尔超晶格导致的各种强关联量子物态的产生机制，科学家迫切需要实现基于超冷原子光晶格体系模拟扭转双层莫尔超晶格结构。然而，基于超冷原子实现扭转双层莫尔超晶格面临一系列技术挑战，由于光的衍射极限，无法直接生成空间分离的双层光晶格。

此次，实验团队采取原子内部自旋态作为合成维度方案，通过原子自旋依赖光晶格技术，在超冷玻色原子系统中实现了扭转双层方形光晶格，该体系中原子始终驻留在单层空间中，层间耦合通过微波耦合两个原子自旋态模拟实现。最终，实现在该扭转双层系统实验中观察到莫尔超流态和复杂的超流—莫特绝缘相变行为。
实验上，首先需要将三维超冷原子气体压缩成准二维体系。对于二维系统，热涨落和量子涨落的作用在有限温度下占主导地位，因此在二维系统中会出现许多与三维系统截然不同的有趣物理现象，例如BKT超流相。另外，二维单层超冷原子可以更好地模拟二维材料。

扭转双层光晶格。(a)单层超冷原子，相互扭转5.21°的两组正交幻零波长激光V1和V2组成自旋依赖光晶格；(b)扭转双层光晶格示意图，微波耦合双层不同原子自旋态|1⟩和|2⟩
实验中，团队将超冷⁸⁷Rb原子制备在两个相互扭转的方形光晶格中作为扭转双层晶格系统的量子模拟器。选用⁸⁷Rb原子基态的两个自旋量子态，利用两组正交的幻零波长激光组成自旋依赖的扭转光晶格，扭转角度为5.21°；此时，在光晶格中原子的两个自旋量子态分别只感受到其中一组光晶格，由此通过两个不同原子自旋量子态合成维度的方法形成了扭转双层光晶格。
随后，团队改变微波场的频率测量了不同阱深的扭转双层光晶格原子激发谱，结果如下图所示。可以看出，通过微波可以实现S能带与S、P、D、F等不同能带的层间耦合——证明超冷原子体系具有更为丰富的调控自由度。

处于不同自旋状态的原子被扭曲的双层光晶格独立衍射

(a)不同原子自旋态的层间跃迁；(b)不同阱深光晶格的原子激发谱

当两层周期二维材料叠放在一起，并稍作旋转时，会出现莫尔超晶格结构，这种超晶格会形成一个新的二维晶格势，从而可能从根本上改变材料的性能，并诱导出奇特的物理性质。

莫尔条纹图案。(a)水平莫尔条纹；(b)竖直莫尔条纹；(c)正方莫尔条纹；(d)主晶格和莫尔超晶格中原子的飞行时间成像(动量空间)。

这项研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、腾讯“科学探索奖”、山西省“1311”工程、山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室等的支持。
此次实验中，超冷原子扭转双层光晶格的实验实现了将扭转电子学研究从电子推广到中性原子水平，为基于超冷原子的量子模拟开辟了一条新的道路。例如，研究各种强关联量子相变行为、量子模拟平带及强关联多体物理等。
进一步，研究团队表示，还可以将超冷原子扭转光晶格推广到费米原子体系和六角蜂窝晶格结构，从而可以模拟和探索与石墨烯相关的物理机制。此外，超冷原子丰富的超精细塞曼子能级，允许引入更多的自旋态来模拟扭转多层材料。将基于微波的层间耦合推广到激光的拉曼耦合，还可以在扭转双层材料中产生自旋轨道耦合和人造规范场，从而产生各种新奇的强关联拓扑物态。
参考链接：[1]http://www.huaxuejia.cn/huaxuejia/news/html/news_7382.html[2]https://www.nature.com/articles/s41586-023-05695-4[3]https://mp.weixin.qq.com/s/iUWViE63jl32a85JIxyADg

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