本省的首篇Nature！实现国际“首次”！

近期，山西大学张靖教授研究团队在《Nature》上发表了题为“Atomic Bose-Einstein condensate in twisted-bilayer optical lattices”(“扭转双层光晶格中的玻色-爱因斯坦凝聚”)”的研究论文。

这实现了山西大学以第一署名单位在Nature正刊上零的突破；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。

该研究论文是在该课题组搭建的超冷原子实验平台上完成，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。美国芝加哥大学金政教授、浙江师范大学高超教授参与合作完成。

扭曲双层材料包括两片堆叠和错位的2D石墨烯。2018年对该结构中非常规超导性的检测引起了人们对这种扭曲双层材料的极大兴趣。

这些系统包含称为摩尔纹图案的原子排列，这些排列是设计不寻常的电子能带结构和物质量子相的关键。被捕获在称为光晶格的激光束阵列中的超冷原子构成了模拟凝聚态物理学中多体现象的理想平台，具有多功能可调性，然而，到目前为止，很难使用这种设置来模拟扭曲双层材料。

观察扭曲双层石墨烯中的强相关性和超导性激发了研究者对基础物理学和应用物理学的巨大兴趣。

在这个系统中，两个扭曲的蜂窝晶格的叠加，产生摩尔纹图案，是观察到的扁平电子带、慢电子速度和大状态密度的关键。非常需要将双绞线双层系统扩展到新的配置，这可以为研究双层石墨烯以外的扭曲电子学提供令人兴奋的前景。

在这里，研究人员展示了基于加载到自旋相关光学晶格中的原子玻色-爱因斯坦凝聚物的扭曲双层方形晶格中超流体到莫特绝缘体跃迁的量子模拟。

图1 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

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，这些原子形成了容纳两层的合成维度。层间耦合由微波场高度控制，这使得在强耦合极限中出现最低的平带和新的相关相位成为可能。

图2 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

研究者直接观察到空间莫尔图案和动量衍射，这证实了扭曲双层晶格中存在两种形式的超流体和一种改良的超流体到绝缘体的转变。他们的方案是通用的，可以应用于不同的晶格几何形状以及玻色子和费米子系统。这为探索具有高度可控光学晶格的超冷原子中的莫尔物理开辟了新的方向。

针对这一发现，《Nature》“研究简报(Research briefing)”栏目发表《利用超冷原子模拟扭曲双层材料》(《Twisted-bilayer materials simulated using ultracold atoms》)，对该研究成果进行宣传报道。

Research briefing

该实验结果将扭曲双层结构的研究从电子系统扩展到中性原子系统；高度可控的冷原子平台为设计具有不同层数、几何形状和原子间多体相互作用的扭曲光晶格提供了许多可能性；用所谓的拉曼光场代替微波场将使层间耦合在空间上依赖，并能够形成称为拓扑基态的物质奇异相。

此外，《Science Bulletin》也将以《利用原子和光合成扭曲双层材料》(《Synthetic twisted bilayers made by atoms and light》) 为题对该工作做亮点报道:

Research briefing

摆在面前的是一个令人兴奋的研究计划，以进一步调整和利用这些设置的潜力。人们可以瞄准观察魔角石墨烯的物理学，但旋转角度更大，受益于韧性。

此外，人们可以打开系统的相互作用，以更好地理解固态实现的强相关现象。合成平台的一个优点是没有电子 - 声子耦合，这有助于阐明其在固态系统中观察到的强相关现象中的作用。

此外，通过利用更大的超精细多重，人们可以模拟扭曲多层系统的物理学，这已被证明在真实材料中显示出非常丰富的现象学。

最后，人们可以用与凝聚态物理学完全不同的方式研究这些合成系统，例如使用局部探针[5]。无论选择何种方向，Meng等人的工作必将成为旋律学这一新研究领域的基石，这必将带来新的见解。

参考文献：

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

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

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927323001366

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