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来源：科学百晓生收集编辑：LHSRYY
▲第一作者：Zengming Meng、Liangwei Wanghttps://doi.org/10.1038/s41586-023-05695-4扭曲双层石墨烯中强关联和超导电性的观测激发了人们对基础和应用物理学的极大兴趣。在这个系统中，两个扭曲的蜂窝晶格的叠加，产生莫尔图案，是观察到的电子能带平坦、电子速度缓慢和态密度大的关键。将扭曲双层系统扩展到新的构型是非常必要的，这可以为研究双层石墨烯之外的扭曲现象提供令人兴奋的前景。1. 本工作展示了基于装载到自旋相关光晶格中的原子玻色-爱因斯坦凝聚体的扭曲双层正方晶格中超流到莫特绝缘体转变的量子模拟。2.晶格由两组激光束组成，两组激光束分别对处于不同自旋状态的原子进行寻址，构成了容纳两层的合成维度。层间耦合通过微波场高度可控，可以在强耦合极限下出现最低的平带和新的相关相。3.本工作直接观察到空间莫尔花样和动量衍射，证实了扭曲双层晶格中存在两种形式的超流和一种修正的超流到绝缘体的转变。4.本工作的方案是通用的，可以应用于不同的晶格几何以及玻色子和费米子体系。这为探索具有高度可控光晶格的超冷原子中的莫尔物理开辟了新的方向。▲图1. 自旋相关光晶格中基于原子的扭曲双层系统的模拟▲图2. 扭曲双层光晶格对不同自旋态原子的独立衍射1、本工作展示了加载到一对扭曲双层光晶格中的铷-87(87Rb)原子的玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)。在特定的"调谐"波长λ1和λ2处用适当的偏振干涉激光形成两个重叠的晶格V1和V2，使得处于自旋态|1⟩≡|F=1,mF=1⟩和 |1⟩≡|F=1,mF=1⟩的原子分别只经历晶格势V1和V2 (图1)。这里F和mF分别是87Rb基态流形中的角动量和投影量子数。2、87Rb原子的两个自旋态构成了容纳晶格V1和V2的两个扭曲层的合成维度。为了精确确定光晶格V1和V2的调谐波长λ1和λ2，本工作测量了光晶格对原子的衍射。实验序列从交叉束偶极阱中的几乎纯净的BEC开始。在两种自旋态中的一种中制备原子，并施加晶格光束的短脉冲。晶格势诱导原子布拉格衍射到高动量态。关闭晶格光束后，本工作对衍射原子进行成像。3、如图2所示，晶格光束的波长被精细地调整到调谐波长，使得处于|1|的原子只被晶格势V1衍射而不被势V2衍射。类似地，处于态|2|的原子只经历势V2，不经历V1。通过消除串扰，本工作确定了调谐波长为λ1=790.02和λ2=788.28 nm。晶格光束通过圆偏振产生空间强度调制，使得晶格势对两种自旋态的原子都具有吸引力。1、实验上，晶格位置之间的层内跳跃t1和t2受光晶格V1和V2的深度控制；另一方面，层间跳跃Ω R是由耦合两个自旋态的微波(MW)独立诱导的。例如，从处于偶极阱中|1⟩的原子开始，当原子被驱动到|2⟩时，MW谱显示出单一的窄峰。2、通过将原子加载到扭曲双层光晶格中，光谱显示出几个峰。这些峰对应于晶格V1的基态带中原子的跃迁，本工作将其标记为|1,S⟩，对应于晶格V2的不同布洛赫带，本工作将其标记为|2,S⟩, |2,P⟩, |2,D⟩ 等。峰位与计算的V2晶格中s、p和d带的能量一致。多峰结构支持处于不同自旋态的原子被限制在不同的晶格中。3、在扭曲双层晶格存在的情况下，由于两个自旋态经历不同的陷阱势，导致快退相，从而使跃迁展宽。此外，更深的晶格势中的现场相互作用增加，导致从高波段到低波段的衰减更快，从而谱线更宽。本工作的观察支持MW是一个通用而有力的工具，可以在合成(自旋)维度上诱导两个扭曲层之间的层间跳跃。4、为了量化层间跳跃能量，本工作测量了态 |2⟩的布居数的时间演化。在失谐量Δ=-0.9 k Hz处观察到相干振荡，对应于|1,S⟩到|2,S⟩的跃迁(图3c)。层间耦合强度可由振荡频率确定。在本工作的实验中，耦合强度可调谐至1Er，超过了典型的扭曲双层石墨烯系统。另一方面，耦合到|2,P⟩时，由于碰撞弛豫到较低的s带(图3d)，P≈导致更快的衰减。下面，本工作将聚焦于两层s带之间具有MW诱导耦合的扭曲双层光晶格中的原子。1、为了识别本工作系统中的莫尔长度尺度，本工作使用原位吸收成像来可视化莫尔图案(图4a-f )。这里本工作首先将处于状态|1⟩的原子加载到晶格V1的最低s带，然后以失谐量Δ=-0.9 k Hz向上加宽MW场，驱动从|1,S|到|2,S|的跃迁。然后本工作原位成像处于|2⟩状态的原子。观察到一维和二维的莫尔条纹，测得莫尔周期为4.35 μm，与预期相符(图4a-f)。注意到主光学晶格间距a=395 nm与本工作的成像光学不可分割。2、本工作还通过分析双层扭曲晶格中原子的动量空间分布来研究原子的量子态。在共振MW跃迁存在的情况下，将一个BEC加载到4Er的双层晶格中，本工作保持一段时间，然后进行飞行时间(TOF)测量(图4g,h)。出现了两组衍射，分别对应于初级晶格动量π/a和更小的莫尔动量π/λ mo。两组衍射花样的高对比度表明原子保持在超流相中，相干性延伸到莫尔长度尺度之外。特别地，莫尔条纹在实空间和动量空间的对比持续了40 ms以上(图4i)，由此本工作推断扭曲双层晶格中原子维持在超流相。3、通过改变光晶格的深度和层间耦合，本工作发现了几种不同的量子相，包括超流(SF)，只有短程相干的超流(SF-II)，Mott绝缘体(MI)和绝缘体(I) (图5a)。这些相位可以通过相位相干性和实空间密度相关性来区分。在从规则SF到绝缘体的转变过程中，SF-II相以有限的层间耦合出现。最后，通过所有尺度下空间相干性的消失和所有站点的整数填充可以识别绝缘子相位I和MI。而MI具有均匀的原子密度，层间耦合较弱，而I相由于层间耦合较强而呈现莫尔花样。https://www.nature.com/articles/s41586-023-05695-4