基于超冷原子转变双层光晶格的量子模拟

用旋转两个二维周期以形成莫尔超晶格的计算方法，这一现象被广泛应用于光学精密检测、图像处理、艺术设计、纺织工业以及建筑学等。最近研究发现莫尔超晶格不但具有独特的美学价值，而且在量子系统中还可能导致各种新奇的物理效应，一个著名的例子是扭转双层石墨烯[1]。

扭转角度作为一个可调的维度，已在石墨烯、过渡金属硫族化合物等各种二维范德瓦耳斯材料中广泛开展扭转电子学的研究，这些材料的性质主要取决于电子在莫尔超晶格中的运动。有关扭转体系和莫尔超晶格的内在物理规律尚未被完全认知，例如二维扭转双层材料中的非常规超导机理，这是当前凝聚态物理的一个研究热点和难点。如何将扭转电子学拓展到新的量子系统引起了科学家的广泛兴趣[5，6]。

我们将超冷87Rb原子制备在两个相互扭转的方形晶格中作为扭转双层晶格系统的量子模拟器。实验中选用87Rb原子基态的两个自旋量子态，利用两组正交的零波长激光组成自旋依赖的扭转光晶格，扭转角度为5.21°，如图2(a)所示。在光晶格中原子的两个自旋量子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量子态合成维度的方法形成了扭转双层光晶格，如图2(b)所示。通过实验观察扭转双层晶格中不同原子自旋态的物质波干涉吸收成像图，证实了扭转双层晶体结构的构建。

在扭转体系中，层间耦合在诱导新奇物理性质方面发挥着重要作用。在扭转双层光晶格中的层间耦合由微波控制，这类似于扭转层状材料中的层间耦合，但是不同于扭转层状材料中固定的层间耦合强度，该实验系统中的层间耦合强度可以精确调控。

当两层周期二维材料叠放在一起，并稍作旋转时，会出现莫尔超晶格结构，这种超晶格会形成一个新的二维晶格势，从而可能从根本上改变材料的性能，并诱导出奇特的物理性质。因此在扭转系统中，莫尔超晶格在研究和调控关联电子态以及新奇拓扑物态方面发挥着关键作用。研究团队利用莫尔超晶格作为一种基础材料，设计了一种新颖的扭转系统，可以用于制造具有不同形状和尺寸的扭转器件。

（编辑：银川站长网）

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