[論文レビュー] Atomic Bose-Einstein condensate in a twisted-bilayer optical lattice

Zengming Meng, Liangwei Wang+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、超低温87Rb原子を用いたスピン依存性光学格子を用いて、ねじれ二重格子正方光学格子における超流動体-モット絶縁体転移の量子シミュレーションを実現した。わずかなねじれ角を有する二つの重ね合わせ格子を設計し、マイクロ波で制御可能な層間結合を用いることで、モアレ構造と運動量回折を観測し、フラットバンドの出現および新規相の発現を確認した。これには、短距離秩序を示す超流動体-II相と、モアレ秩序を持つ絶縁体相が含まれる。

ABSTRACT

Observation of strong correlations and superconductivity in twisted-bilayer-graphene have stimulated tremendous interest in fundamental and applied physics. In this system, the superposition of two twisted honeycomb lattices, generating a Moir$\acute{\mathrm{e}}$ pattern, is the key to the observed flat electronic bands, slow electron velocity and large density of states. Despite these observations, a full understanding of the emerging superconductivity from the coupled insulating layers and the appearance of a small magic angle remain a hot topic of research. Here, we demonstrate a quantum simulation platform to study superfluids in twisted bilayer lattices based on Bose-Einstein condensates loaded into spin-dependent optical lattices. The lattices are made of two sets of laser beams that independently address atoms in different spin states, which form the synthetic dimension of the two layers. The twisted angle of the two lattices is controlled by the relative angle of the laser beams. We show that atoms in each spin state only feel one set of the lattice and the interlayer coupling can be controlled by microwave coupling between the spin states. Our system allows for flexible control of both the inter- and intralayer couplings. Furthermore we directly observe the spatial Moir$\acute{\mathrm{e}}$ pattern and the momentum diffraction, which confirm the presence of atomic superfluid in the bilayer lattices. Our system constitutes a powerful platform to investigate the physics underlying the superconductivity in twisted-bilayer-graphene and to explore other novel quantum phenomena difficult to realize in materials.

研究の動機と目的

• 超低温原子を用いたチューナブルなねじれ二重格子光学格子プラットフォームを実現し、相関する量子状態をシミュレートすること。
• スピン状態が形成する人工次元におけるフラットバンドと強い相関の発現を調査すること。
• 制御可能な層間結合を有する系における超流動体からモット絶縁体への転移を観測・特徴づけること。
• 実空間および運動量空間の測定を通じて、超流動体-IIおよびモアレ秩序を持つ絶縁体相を含む新規量子相を同定すること。

提案手法

• 87Rb原子をスピン状態|1⌈および|2⌈に独立して閉じ込めるために、チューニングアウト波長（790.02 nmおよび788.28 nm）のスピン依存性光学格子を用いる。
• わずかな相対的傾き（5.21°）を有する二組のレーザー光線を干渉させることで、大きなモアレ周期を有するねじれ二重格子構造を生成する。
• マイクロ波場を用いて層間トンネルをコherentに制御し、二つの層間の結合をチューナブルに可能にする。
• 平均場Gutzwillerアプローチを用いて理論的に相図をマッピングし、超流動体、超流動体-II、モット絶縁体、および絶縁体相を特定する。
• 実空間での密度分布と運動量空間での回折パターンを用いて、秩序性とモアレ構造に基づいて相を区別する。
• 格子深さとラビ周波数から得られるパラメータを用いた、層間結合項を含むボーズ＝ハッブル・ハミルトニアンを系のモデル化に用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン依存性格子を用いた超低温原子系において、制御可能なねじれ二重格子光学格子を実現できるか？
• RQ2 マイクロ波による層間結合が、フラットバンドおよび相関する量子相の発現にどのように影響するか？
• RQ3 実空間および運動量空間において、超流動体、超流動体-II、モット絶縁体、および絶縁体相の明確な特徴は何か？
• RQ4 モアレ周期性および層間結合によって修正された超流動体-モット絶縁体転移が、系に現れるか？
• RQ5 実験的に観測可能なモアレパターンと運動量回折は、相関する相の指標として機能するか？

主な発見

• 著者らは、原子密度分布において空間的モアレパターンを直接観測し、大周期のスーパーラティス構造の形成を確認した。
• 運動量空間における回折ピークが観測され、コherentな超流動秩序と二つの異なる超流動成分の存在を示した。
• 短距離秩序を示し、モアレスケールの長距離秩序が消失する超流動体-II相が同定された。これは標準的な超流動体およびモット絶縁体相とは明確に異なる。
• 絶縁体相は実空間でモアレパターンを示すが、すべての長尺度で秩序性を欠いており、ギャップを有する不圧縮性状態であることを示した。
• 相図は、超流動体とモット絶縁体の間の臨界的領域を示しており、これはゼロ温度で予測されないものであり、中間的秩序性を示す熱力学的相である可能性を示唆した。
• Gutzwiller法を用いた理論的モデリングにより、四つの相（超流動体（SF）、超流動体-II（SF-II）、モット絶縁体（MI）、絶縁体（I））の存在が確認され、層間結合および化学ポテンシャルによって相境界が調整可能であることが示された。