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原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
對扭曲雙層石墨烯強相關性和超導性的觀察激發了人們對基礎物理學和應用物理學的巨大興趣。在該體系中，兩個扭曲的蜂窩晶格的疊加，產生moiré模式，是觀測到平坦電子帶、慢電子速度和大態密度的關鍵。人們迫切希望將雙分子層扭電子學擴展到新的結構，這將為研究雙分子層石墨烯之外的扭電子學提供令人興奮的前景。
有鑒于此，山西大學光電研究所張靖教授等人展示了基于原子玻色-愛因斯坦凝聚體加載到自旋相關光學晶格的扭曲雙層方晶格中超流體到Mott絕緣體躍遷的量子模擬。晶格由兩組激光束組成，這些激光束獨立地處理處于不同自旋狀態的原子，形成容納兩層的合成維度。層間耦合被微波場高度可控，這使得在強耦合極限中出現最低平坦帶和新的相關相位。作者直接觀測到空間moiré圖和動量衍射，證實了在扭曲雙分子層晶格中存在兩種形式的超流體和一種改進的超流體到絕緣體的轉變。該方案是通用的，可以應用于不同的晶格幾何和玻色子和費米子系統。這為在具有高度可控光學晶格的超冷原子中探索moiré物理開辟了新的方向。
（1）自旋相關光學晶格中原子的扭曲雙層系統
作者展示了87Rb原子的玻色-愛因斯坦凝聚(BEC)加載到一對雙分子層光學晶格中。兩個重疊的晶格V1和V2是由具有適當極化的特定“調諧”波長干涉激光束形成的，每組激光束在水平xy平面上形成一個二維(2D)方形晶格，通過將不同波長的光束定向，以較小的相對角度來實現兩個晶格的扭曲。樣品在垂直z方向上被嚴格限制，樣品處于準2D狀態。
圖 基于自旋相關光學晶格中原子的扭曲雙層系統的模擬
（2）扭曲雙層光學晶格上的獨立衍射
87Rb原子的兩種自旋態構成了能容納兩層扭曲晶格V1和V2的合成維數。作者用光學晶格測量原子的衍射精確確定光學晶格V1和V2的調諧波長λ1和λ2。實驗序列從一個幾乎純的交叉束偶極阱BEC開始。作者對衍射原子進行成像。晶格束的波長被精細地調整到調諧波長，以便處于∣1?狀態的原子僅被晶格勢V1衍射。
圖 不同自旋態原子在扭曲雙層光學晶格上的獨立衍射
（3）層間耦合
實驗表明，晶格點之間的層內跳變受光學晶格的深度控制；另一方面，層間跳躍ΩR是由耦合兩種自旋態的微波(MW)獨立誘導的。通過將原子加載到扭曲的雙分子層光學晶格中，光譜顯示出幾個峰，多峰結構證明了不同自旋態的原子被限制在不同的晶格中。觀察結果支持MW作為一種多功能和強大的工具，可以在合成(自旋)維度上誘導兩個扭曲層之間的層間跳躍。測量了狀態∣2?中種群的時間演化以量化層間跳躍能量，在本實驗中，耦合強度可調至1Er，這超過了典型的扭曲雙層石墨烯體系。
圖 扭曲雙分子層光學晶格的層間耦合
（4）Moiré模式和超流體基態
為了在系統中識別moiré長度尺度，使用原位吸收成像來可視化moiré模式。在一維和二維上觀測到Moiré模式，并測量到moiré周期為4.35 μm。作者還通過分析雙分子層扭曲晶格的動量空間分布來研究原子的量子態。結果表明，原子仍然處于超流體相，相相干延伸到moiré長度尺度之外。空間moiré周期在實驗中仍然是一個清晰的可觀測到的，因為原子超流體的化學勢有限。樣品在扭曲雙層晶格中的空間和動量周期性的持久性支持超流體作為系統的基態。
圖 扭曲雙分子層光學晶格中的Moiré模式和超流體基態
（5）扭曲雙分子層光學晶格的相變
通過改變光學晶格的深度和層間耦合，發現了幾個不同的量子相，包括超流體(SF)，只有短距離相干的超流體(SF-II)， Mott絕緣體(MI)和絕緣體(I)。這些相位可以通過相位相干性和實空間密度相關性來區分。在實驗中，從TOF圖像中的動量-空間衍射峰測量相位相干性，并通過原位成像直接探測moiré模式。作者測量了相邊界并使用三個獨立的路徑來研究這些階段。觀察結果在定性上與理論預期一致，并證明層間耦合可以誘導通過SF-II從MI到SF的再入轉變。
圖 扭曲雙分子層光學晶格的相變
參考文獻：
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
