近期，國際頂尖學術期刊《Nature》在線發表了山西大學光電研究所、量子光學與光量子器件國家重點實驗室研究論文，實現了山西大學以第一署名單位在《Nature》正刊上零的突破。

扭轉雙層光晶格示意圖

　　該研究論文“Atomic Bose-Einstein condensate in twisted-bilayer optical lattices”(“扭轉雙層光晶格中的玻色-愛因斯坦凝聚”)來自山西大學張靖教授研究團隊，是在該課題組搭建的超冷原子實驗平台上完成，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。美國芝加哥大學金政教授、浙江師範大學高超教授參與合作完成。

　　《Nature》“研究簡報(Research briefing)”欄目發表《利用超冷原子模擬扭曲雙層材料》(《Twisted-bilayer materials simulated using ultracold atoms》)，對該研究成果進行宣傳報道。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報道。

　　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家的廣泛關注，因其具有高導電性、柔韌性和高強度性，使得它成為人們炙手可熱的一種材料，廣泛應用在光電、傳感和醫療等領域。當兩張單層原子的二維材料疊放在一起，並稍作旋轉時，會從根本上改變材料的性能，並誘導出奇特的物理性質，例如高溫超導性、非線性光學、激發激光等。目前，隱藏在扭轉體係背後的科學本質還未被完全認知，由此誕生了一個全新的研究領域：扭轉電子學。

　　但是，目前二維扭轉雙層石墨烯中的超導機理還不完全清楚，這是當前凝聚態物理的一個研究熱點和難點，因為固體二維材料中常伴有雜質或缺陷，導致產生的新奇物理效應機製非常複雜。而超冷原子氣體係統純淨且具有強大的人工操控性和宏觀量子相幹性，幾十年來，利用該係統在模擬凝聚態物理、高能物理、天體物理、化學反應等領域已經取得了豐碩的成果，為超冷原子體係模擬扭轉雙層材料以及製備新的量子態奠定了重要基礎。

圖1 扭轉雙層光晶格

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

圖2 扭轉雙層光晶格中的莫爾條紋和超流基態

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

　　山西大學光電研究所、量子光學與光量子器件國家重點實驗室張靖教授課題組攻堅克難、另辟蹊徑，經過多年的持續科研積累，在國際上，首次基於超冷原子氣體係統實驗實現了二維扭轉雙層光晶格，見圖1，並開展了超流態到莫特絕緣態量子相變的相關研究。該扭轉光晶格是由“tune-out”波長激光形成兩組正方晶格，旋轉角為5.21度，裝載在光晶格中的超冷銣原子兩個自旋內態分別隻感受到其中一組光晶格，由此通過兩個不同原子自旋態合成維度方法形成雙層結構，通過微波場驅動兩個原子自旋態模擬實現了層間隧穿耦合的精確調控。同時實驗直接觀察到空間莫爾條紋和動量衍射，證實了雙層晶格中存在原子超流體，見圖2。該成果為研究扭轉電子學以及探索其它難以在普通材料中實現的新奇量子現象打開了一扇大門。

　　國際著名期刊《Nature》是世界上曆史悠久的、最有名望的綜合科學期刊之一，創刊於1869年。每周刊載科技領域最新、最重要、最前沿的研究成果。

　　該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、騰訊“科學探索獎”、山西省“1311”工程、山西大學量子光學與光量子器件國家重點實驗室等的支持。

　　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