里程碑突破！山西大学，重磅《Nature》！祝贺！

01 研究背景

2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）用一种简单方法，从石墨薄片中剥离出了石墨烯。为此，他们二人荣获了2010年的诺贝尔物理学奖。石墨烯，是由碳原子组成六角形呈蜂巢状结构的二维纳米材料。它凭借导电导热性好、机械强度高、超薄透明、柔性可弯曲等优势，一度被誉为“新材料之王”。石墨烯的发现，也激起了科学家们对二维材料的研究热情。

2018年美国麻省理工学院物理系副教授 Pablo Jarillo-Herrero 领导的团队在研究双层石墨烯时发现，如果将其中一层石墨烯相对于另一层旋转一个所谓的“魔力角（1.1 ）”，就可以得到绝缘或者超导的状态。对于这些特性的研究，催生了一个新的研究领域：扭转电子学（twistronics），这个词是由“扭转（twist）”和“电子学（electronics）”两个词组合而成。

晶格体系中的新带结构往往会导致新的材料功能和发现。扭电子学起源于以扭曲-双层-石墨烯为可调实验平台，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偏振子的光子色散方面的能力被探索。

光学晶格中的超冷原子构成了模拟凝聚态物理中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。特别是，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。其他模拟双分子层异质结构的方案也被提出。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。

02 研究成果

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巨大兴趣。在该体系中，两个扭曲的蜂窝晶格的叠加，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电子学提供令人兴奋的前景。山西大学张靖教授课题组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。作者直接观测到空间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。这种方案是通用的，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。相关研究工作以“Atomic Bose–Einstein condensate in twisted-bilayer optical lattices”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。祝贺！

03 图文速递

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

在这篇文章中，作者展示了铷-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。两个重叠的晶格V1和V2是由具有适当极化的特定“调谐”波长λ1和λ2的干涉激光束形成的， 每组激光束在水平xy平面上形成一个二维(2D)方形晶格，通过将不同波长的光束定向，以较小的相对角度θ=5.21 来实现两个晶格的扭曲。样品在垂直z方向上被严格限制，因此样品处于准2d状态。

87Rb原子的两种自旋态构成了能容纳两层扭曲晶格V1和V2的合成维数。为了精确确定光学晶格V1和V2的调谐波长λ1和λ2，作者用光学晶格测量原子的衍射。实验序列从一个几乎纯的交叉束偶极阱BEC开始。原子是在两种自旋状态中的一种状态下制备的，并应用了晶格束的短脉冲。晶格势诱导原子布拉格衍射到高动量态。关闭晶格束后，作者对衍射原子进行成像。晶格束的波长被精细地调整到调谐波长，以便处于 1⟩状态的原子仅被晶格势V1衍射，而不是被势V2衍射，如图所示。

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

为了量化层间跳跃能量，作者测量了状态 2⟩中种群的时间演化。作者观察到失谐Δ = 0.9 kHz的相干振荡，这对应于从 1，S⟩到 2，S⟩的转变(图3c)。层间耦合强度可由振荡频率确定。在该实验中，耦合强度可调至1Er，这超过了典型的扭曲双层石墨烯体系。另一方面，耦合到p带 2，P⟩导致更快的衰减，这可能是由于对下s带的碰撞松弛(图3d)。在接下来的文章中，作者将重点研究两层s带之间具有MW诱导耦合的扭曲双分子层光学晶格中的原子。

与电子材料中经常在费米面附近研究平坦带相比，还可以探索在最低带中凝聚玻色子的平坦带物理。在作者的系统中，当层间耦合增加时，长波长moiré势变深，因此最低波段的原子在更大的空间尺度上被隔离(moiré波长)，这使得地带变平，增强了原子的局部化。

在实验中，作者从TOF图像中的动量-空间衍射峰测量相位相干性，并按照图4所示的测量方法，通过原位成像直接探测moiré模式。相边界的测量如图5a所示。作者使用三个独立的路径来研究这些阶段。在路径I中，将层间耦合强度固定在一个较小的值ΩR = 0.24Er，并增加晶格深度。从SF到MI以及跨越SF- II的相变在TOF图像中显示(图5b)。在这里，在moiré动量处的衍射峰首先在主晶格消失之前消失。中间状态表示SF-II阶段，moiré-scale长程相关性被破坏，而短程相干仍然存在;同时，在真实空间中也出现了moiré模式的密度相关性。在路径II中，我们固定SF区域的晶格深度，增加层间耦合。在moiré动量处的衍射峰持续存在高对比度。而在路径III中，当光学晶格深度固定在MI区域，层间耦合增强时，moiré动量处的能见度呈现阈值行为，出现在ΩR > 0.5Er处(图5c)。这些观察结果在定性上与理论预期一致，并证明层间耦合可以诱导通过SF- ii从MI到SF的再入转变。人们可以从层间耦合和相互作用之间的相互作用倾向于将玻色子本地化这一事实来理解这种丰富的转变，主要是在moiré长度尺度上。

04 结论与展望

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而导致的复杂相的可能性，例如Bose玻璃绝缘体，类似于无序玻色子系统。这些复杂的阶段值得在未来进一步研究。

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，作者的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，作者的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。

05 文献

文献链接：

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