山西大学又一篇Nature，这次是独立通讯作者单位！超冷原子模拟扭曲二维材料

石墨烯的结构一直备受青睐，其蜂巢状的二维纳米结构，具有高导电导热性、高机械强度、超薄透明、柔性可弯曲等一系列优势。

当一片石墨烯放在另一片石墨烯上，并将两层石墨烯偏转一个特定的角度时，形成了扭曲二维材料。其特性发生了根本的改变，形成一种被称为“莫尔纹”的纳米级“超晶格”结构，是物质量子相的关键；同时产生了神奇的效应，如高温超导性、强关联等，激起了科学家们对扭曲双二维材料的研究热情。

光学晶格，是将冷原子装载于激光束阵列中，形成冷原子的空间周期性排列，类似于固体物理中的“晶体结构”。这一强大的平台，具有可调谐性，可用于模拟凝聚态中的多体物理学。然而，直到现在，仍很难用这一平台来模拟扭曲的双层材料。

基于这一挑战，山西大学张靖团队使用一种由两个错位的激光束阵列装载的玻色—爱因斯坦凝聚系统，实现了对扭曲双层方格中超流体到莫特绝缘体转变的量子模拟。相关成果以“Atomic Bose–Einstein condensate in twisted-bilayer optical lattices”发表于最新一期Nature，山西大学孟增明副教授以及博士生王良伟为共同第一作者，山西大学张靖教授为独立通讯作者。据悉该论文为山西大学首篇以独立通讯作者发表的Nature。

扭曲双层系统模拟器

该研究使用了两个方形光学晶格来捕获超冷的铷原子作为扭曲双层系统模拟器。一个晶格相对于另一个晶格旋转了一个小角度（5.21度），将与这两个晶格相关的波长调到特定的值，可以把晶格内的原子限制在不同的自旋状态。在这个合成的维度里，这些自旋态形成了一个类似于扭曲的双层材料的结构。通过实验观察光学晶格对原子的散射，证明这两个晶格具有精确的排列和原子状态选择性。

扭曲双层系统的量子模拟器

层间耦合

扭曲双层光学晶格中的层间耦合可由微波场控制，这使得在强耦合极限下出现最低平带和新的相关相位。在扭曲的层状石墨烯中，电荷载流子可以在两个堆叠的层之间隧穿，形成复杂的带状结构。而在模拟器中，电荷载流子仅驻留在一个空间层中，无法隧穿，但由于微波场的作用，原子可在两个自旋态之间跳跃，实现自旋态耦合，跳跃的概率可以通过微波场的功率进行调整。

扭曲双层光学晶格中的层间耦合

原子超流体

通过原位和飞行时间两种类型的成像，研究人员直接观察到了具有空间莫尔纹的超流体（零粘度状态），这是超冷原子模拟器的一个关键特征。同时发现，两个自旋态的层间耦合引起了从超流体到莫特绝缘体的量子相变，后者是一种原子被固定在晶格上的状态。值得强调的是，在这个量子相变过程中，还观察到一个中间阶段，这种状态不同于超流体或者莫特绝缘体阶段，是一个以前未曾探索过的阶段，这些复杂的阶段值得未来进一步研究。

扭曲双层光学晶格中的莫尔纹和超流体基态

作者简介

张靖，山西大学光电所所长和量子光学与光量子器件国家重点实验室主任，国家杰出青年基金获得者、长江学者特聘教授、国家重点研发计划项目首席科学家、国家基金委创新群体带头人、国家杰出专业技术人才、国家中青年科技领军人才、美国光学学会会士（OSA Fellow）、美国物理学会会士（APS Fellow）。1995年毕业于武汉华中科技大学光电子专业，2001年于山西大学光学专业毕业并获博士学位。2000年1月– 2000年4月在日本国家计量研究所从事全固化单频绿光激光器碘分子光频标的实验研究。2002年3月– 2003年9月在英国威尔士班戈大学S. L. Braunstein教授量子信息小组做博士后。2003年9月– 2004年9月在法国巴黎高等师范学校（ENS）物理系Kastler-Brossel实验室C. Salomon教授小组开展超冷费米气体的实验研究。2004年9月加入山西大学光电研究所，主要研究方向为量子光学、量子信息和量子通信、玻色费米混合气体和光悬浮纳米粒子等。

全文链接：

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

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