扭转双层光晶格中的玻色-爱因斯坦凝聚

近期，国际顶尖学术期刊《Nature》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研究论文，实现了我校以第一署名单位在《Nature》正刊上零的突破。

该研究论文“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”)来自山西大学张靖教授研究团队，是在该课题组搭建的超冷原子实验平台上完成，该课题组的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。

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扭转双层光晶格示意图

《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。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。

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，使得它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，会从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，隐藏在扭转体系背后的科学本质还未被完全认知，由此诞生了一个全新的研究领域：扭转电子学。

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，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。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。

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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

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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

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张靖教授课题组攻坚克难、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，见图1，并开展了超流态到莫特绝缘态量子相变的相关研究。该扭转光晶格是由“tune-out”波长激光形成两组正方晶格，旋转角为5.21度，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，通过微波场驱动两个原子自旋态模拟实现了层间隧穿耦合的精确调控。同时实验直接观察到空间莫尔条纹和动量衍射，证实了双层晶格中存在原子超流体，见图2。该成果为研究扭转电子学以及探索其它难以在普通材料中实现的新奇量子现象打开了一扇大门。

国际著名期刊《Nature》是世界上历史悠久的、最有名望的综合科学期刊之一，创刊于1869年。每周刊载科技领域最新、最重要、最前沿的研究成果。

该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。

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

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