前沿进展｜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

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，山西大学张靖教授团队在超冷原子量子模拟方面取得新进展。团队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，破解了中性原子量子模拟扭转双层材料的技术难题，为研究扭转电子学以及探索其它难以在材料中实现的新奇量子现象打开了一扇大门。

研究成果以“Atomic Bose-Einstein condensate in twisted-bilayer optical lattices”为题于2023年2月22月发表在Nature上。

2023 | 前沿进展

02 研究背景

自2004年石墨烯问世以来，由单层原子组成的二维材料引起了科学家的广泛关注，因其具有高导电性、柔韧性和高强度性，成为人们炙手可热的一种材料，广泛应用在光电、传感和医疗等领域。

当两张单层原子的二维材料叠放在一起并稍作旋转时，会出现周期或准周期性的莫尔条纹结构，这种莫尔超晶格会形成一个新的二维晶格势，从而根本上改变材料的性能，并诱导出奇特的物理性质，例如：高温超导性、非线性光学、激发激光等。目前，隐藏在扭转体系和莫尔超晶格背后的科学本质还未被完全认知，由此诞生了一个新的研究领域：扭转电子学。

但是，目前二维扭转双层材料中的超导机理还尚未研究清楚，这是当前凝聚态物理中一个研究热点和难点，因为固体二维材料中常伴有杂质或缺陷，导致产生的新奇物理效应机制非常复杂。

由于超冷原子气体系统纯净、且具有强大的人为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。

03 研究创新点

该团队创新性地利用自旋依赖光晶格技术，基于超冷原子气体系统实验实现了二维扭转双层光晶格（图1）。他们首先利用532 nm激光和声光偏转器构建了一个周期性可调的手风琴光晶格，从而将三维超冷原子气体压缩为准二维原子气体，如图2a；然后原子被绝热装载到扭转正方光晶格中。

图1 扭转双层光晶格示意图

扭转光晶格是由两组正交的“tune-out”波长激光组成(V1和V2)，如图2c，旋转角为5.21°，装载在光晶格中的超冷铷原子两个自旋内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态合成维度方法形成双层结构，如图2b。

图2 扭转双层光晶格。(a)单层原子气体，两组“tune-out”波长激光；(b)双层扭转光晶格示意图，微波耦合双层原子自旋态；(c)原子塞曼子能级

在扭转体系中，层间耦合在诱导奇特物理性质方面发挥着重要作用。原子初始制备在|1˃量子自旋态，通过微波场(MW)实现双层原子|1˃↔|2˃自旋态间的隧穿层间耦合，团队通过测量扭转光晶格的能带激发谱验证了精确调控层间耦合的有效性，见图3；另外，通过调控层间耦合强度，观测到从超流态到莫特绝缘态的量子相变，并发现了一个新的中间相Superfluid-II。

图3 扭转双层光晶格中原子的层间耦合。(a)原子在不同阱深光晶格的微波激发谱；(b)能带结构(阱深为4Er)

扭转双层光晶格的一个关键特征是莫尔超晶格。该团队将|1˃态的原子制备在光晶格V1的s能带上，通过微波场将原子相干耦合到光晶格V2中|2˃态的s能带，然后通过高分辨率成像系统对原子进行原位成像，成功观测到系统的莫尔超晶格结构，如图4a, c, e。

该团队还通过原子在动量空间的衍射图像、研究了扭转双层光晶格中原子量子态处于超流相的寿命。在阱深为4Er时，原子从光晶格中释放进行自由飞行展开，然后测量原子的衍射图像（图4g），原子被分为两组，分别对应主晶格动量π/a、莫尔超晶格动量π/λ_mo，其中a=0.395 μm，λ_mo=4.35 μm。

原子在实空间和动量空间的高对比度说明原子仍处于超流相，相干长度大于莫尔超晶格的尺度，通过测量实空间和动量空间原子的对比度可知：在扭转双层光晶格中的原子量子态可保持长时间的超流性（图4i）。

图4 扭转双层光晶格中的莫尔条纹和超流基态。(a)水平莫尔条纹；(c)竖直莫尔条纹；(e)正方莫尔条纹；(g)原子自由飞行展开后动量空间的衍射图像；(i)莫尔条纹和衍射图像的对比度；(b, d, f, h)理论计算图

04 总结与展望

该团队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和莫尔超晶格。利用微波实现了双层原子自旋态间的隧穿层间耦合，这类似于凝聚态材料中的层间耦合，但是不同于凝聚态材料中固定的层间耦合，该实验系统中的层间耦合强度可以精确调控。该系统集成扭转双层结构、可调的莫尔超晶格和层间耦合强度以及纯净的环境等特性，为超冷原子研究扭转电子学、以及探索其它难以在材料中实现的新奇量子现象提供了一个理想的实验平台。

Nature以“研究简报（Research briefing）”的形式发表了题为“Twisted bilayer materials simulated using ultracold atoms（利用超冷原子模拟扭曲双层材料）”的文章，对该研究成果进行了宣传报道。此外，Science Bulletin将以“Synthetic twisted bilayers made by atoms and light（利用原子和光合成扭曲双层材料）”为题对该工作了亮点报道。

山西大学光电研究所张靖教授为该论文的唯一通讯作者，课题组青年教师孟增明和博士生王良伟为该论文的共同第一作者，山西大学光电研究所为第一完成单位，浙江师范大学、美国芝加哥大学为合作参与单位。

通讯作者简介

张靖，1974年1月生，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，Photonics Insights创刊编委。兼任山西省科协副主席，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、美国光学学会会士（OSA Fellow）、美国物理学会会士（APS Fellow）。在连续变量量子信息和量子气体领域，特别是在简并费米气体中实现自旋-轨道耦合做出开创性的工作。主持的基于超冷费米气体的量子调控获2020年度国家自然科学奖二等奖。入选第二届“科学探索奖”，荣获“全国五一劳动奖章”称号，“全省优秀共产党员”荣誉称号。

论文链接：

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

Nature Research briefing链接：

https://www.nature.com/articles/d41586-023-00314-8

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编辑 | 方紫璇

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