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該研究論文“Atomic Bose-Einstein condensate in twisted-bilayer optical lattices”(“扭轉(zhuǎn)雙層光晶格中的玻色-愛因斯坦凝聚”)來自山西大學(xué)張靖教授研究團(tuán)隊(duì)，是在該課題組搭建的超冷原子實(shí)驗(yàn)平臺上完成，該課題組的青年教師孟增明和博士生王良偉為該論文的共同第一作者。美國芝加哥大學(xué)金政教授、浙江師范大學(xué)高超教授參與合作完成。

扭轉(zhuǎn)雙層光晶格示意圖

《Nature》“研究簡報(bào)(Research briefing)”欄目發(fā)表《利用超冷原子模擬扭曲雙層材料》(《Twisted-bilayer materials simulated using ultracold atoms》)，對該研究成果進(jìn)行宣傳報(bào)道。此外，《Science Bulletin》也將以《利用原子和光合成扭曲雙層材料》(《Synthetic twisted bilayers made by atoms and light》) 為題對該工作做亮點(diǎn)報(bào)道。

自2004年石墨烯問世以來，由單層原子組成的二維材料引起了科學(xué)家的廣泛關(guān)注，因其具有高導(dǎo)電性、柔韌性和高強(qiáng)度性，使得它成為人們炙手可熱的一種材料，廣泛應(yīng)用在光電、傳感和醫(yī)療等領(lǐng)域。當(dāng)兩張單層原子的二維材料疊放在一起，并稍作旋轉(zhuǎn)時(shí)，會從根本上改變材料的性能，并誘導(dǎo)出奇特的物理性質(zhì)，例如高溫超導(dǎo)性、非線性光學(xué)、激發(fā)激光等。目前，隱藏在扭轉(zhuǎn)體系背后的科學(xué)本質(zhì)還未被完全認(rèn)知，由此誕生了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域：扭轉(zhuǎn)電子學(xué)。

但是，目前二維扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯中的超導(dǎo)機(jī)理還不完全清楚，這是當(dāng)前凝聚態(tài)物理的一個(gè)研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)，因?yàn)楣腆w二維材料中常伴有雜質(zhì)或缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)生的新奇物理效應(yīng)機(jī)制非常復(fù)雜。而超冷原子氣體系統(tǒng)純凈且具有強(qiáng)大的人工操控性和宏觀量子相干性，幾十年來，利用該系統(tǒng)在模擬凝聚態(tài)物理、高能物理、天體物理、化學(xué)反應(yīng)等領(lǐng)域已經(jīng)取得了豐碩的成果，為超冷原子體系模擬扭轉(zhuǎn)雙層材料以及制備新的量子態(tài)奠定了重要基礎(chǔ)。

圖1 扭轉(zhuǎn)雙層光晶格

(a)單層原子氣體，兩組“tune-out”波長激光；(b)雙層扭轉(zhuǎn)光晶格示意圖，微波耦合雙層原子自旋態(tài)；(c)原子塞曼子能級

圖2 扭轉(zhuǎn)雙層光晶格中的莫爾條紋和超流基態(tài)

(a)水平莫爾條紋；(c)豎直莫爾條紋；(e)正方莫爾條紋；(g)原子自由飛行展開后動(dòng)量空間的衍射圖像；(i)莫爾條紋和衍射圖像的對比度；(b, d, f, h)理論計(jì)算圖

山西大學(xué)光電研究所、量子光學(xué)與光量子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張靖教授課題組攻堅(jiān)克難、另辟蹊徑，經(jīng)過多年的持續(xù)科研積累，在國際上，首次基于超冷原子氣體系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了二維扭轉(zhuǎn)雙層光晶格，見圖1，并開展了超流態(tài)到莫特絕緣態(tài)量子相變的相關(guān)研究。該扭轉(zhuǎn)光晶格是由“tune-out”波長激光形成兩組正方晶格，旋轉(zhuǎn)角為5.21度，裝載在光晶格中的超冷銣原子兩個(gè)自旋內(nèi)態(tài)分別只感受到其中一組光晶格，由此通過兩個(gè)不同原子自旋態(tài)合成維度方法形成雙層結(jié)構(gòu)，通過微波場驅(qū)動(dòng)兩個(gè)原子自旋態(tài)模擬實(shí)現(xiàn)了層間隧穿耦合的精確調(diào)控。同時(shí)實(shí)驗(yàn)直接觀察到空間莫爾條紋和動(dòng)量衍射，證實(shí)了雙層晶格中存在原子超流體，見圖2。該成果為研究扭轉(zhuǎn)電子學(xué)以及探索其它難以在普通材料中實(shí)現(xiàn)的新奇量子現(xiàn)象打開了一扇大門。

國際著名期刊《Nature》是世界上歷史悠久的、最有名望的綜合科學(xué)期刊之一，創(chuàng)刊于1869年。每周刊載科技領(lǐng)域最新、最重要、最前沿的研究成果。

該研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、騰訊“科學(xué)探索獎(jiǎng)”、山西省“1311”工程、山西大學(xué)量子光學(xué)與光量子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等的支持。

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

Nature Research briefing鏈接：https://www.nature.com/articles/d41586-023-00314-8