[논문 리뷰] Atomic Bose-Einstein condensate in a twisted-bilayer optical lattice

Zengming Meng, Liangwei Wang외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 01.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 초냉각 87Rb 원자에서 스핀에 의존하는 광학 격자와 마이크로파 제어 상호작용을 이용하여 비틀어진 이중층 정사각형 광학 격자에서의 초유체-모트 절연체 전이를 양자 시뮬레이션한다. 작은 비틀기 각도를 가진 두 겹치는 격자를 설계하고 마이크로파로 제어 가능한 상층 간 결합을 적용함으로써, 모리에 패턴과 동역학 회절을 관측하여 평탄한 밴드와 새로운 상호작용 양자 상의 존재를 확인하였으며, 국소적 위상 일관성이 있는 초유체-II 상과 모리에 순서가 있는 절연체 상을 관찰하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초냉각 원자를 이용하여 조절 가능한 비틀어진 이중층 광학 격자 플랫폼을 실현하여 상호작용 양자 상을 시뮬레이션하는 것.
• 스핀 상태로 형성된 사영 차원에서 평탄한 밴드와 강한 상호작용이 나타나는지 탐색하는 것.
• 제어 가능한 상층 간 결합이 있는 시스템에서 초유체-모트 절연체 전이를 관측하고 특성화하는 것.
• 실공간 및 동역학 공간 측정을 통해 초유체-II 및 모리에 순서가 있는 절연체 상과 같은 새로운 양자 상을 식별하는 것.

제안 방법

• 790.02 nm 및 788.28 nm의 터닝 아웃 파장에서 스핀에 의존하는 광학 격자를 이용하여 87Rb 원자를 스핀 상태 |1⌉ 및 |2⌉에 독립적으로 구속하는 것.
• 작은 상대적 각도(5.21°)를 가진 두 세트의 레이저 빔을 간섭시켜 큰 모리에 주기를 가진 비틀어진 이중층 격자 구조를 만드는 것.
• 마이크로파장을 이용해 상층 간 터널링을 양자적으로 제어하여 두 층 간의 조절 가능한 결합을 가능하게 하는 것.
• 평균장 고츠윌러 방법을 적용하여 이론적으로 상도를 매핑하고 초유체, 초유체-II, 모트 절연체, 절연체 상을 식별하는 것.
• 실공간 밀도 및 동역학 공간 회절 패tern을 이용하여 위상 간의 위상 일관성과 모리에 구조에 기반해 위상을 구분하는 것.
• 격자 깊이 및 라비 주파수에서 유도된 매개변수를 가진 보즈-허브라드 해밀토니안에 상층 간 결합 항을 추가하여 시스템을 모델링하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀에 의존하는 격자를 이용해 초냉각 원자 시스템에서 제어 가능한 비틀어진 이중층 광학 격자를 실현할 수 있는가?
• RQ2 마이크로파로 제어하는 상호작용을 통한 상층 간 결합이 평탄한 밴드와 상호작용 양자 상의 존재에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 실공간 및 동역학 공간에서 초유체, 초유체-II, 모트 절연체, 절연체 상의 고유한 특징은 무엇인가?
• RQ4 모리에 주기성과 상층 간 결합이 초유체-모트 절연체 전이에 영향을 미치는가?
• RQ5 모리에 패턴과 동역학 회절은 상호작용 양자 상의 지표로 실험적으로 관측 가능한가?

주요 결과

• 저자들은 원자 밀도 분포에서 직접적으로 공간적 모리에 패턴을 관측하여 큰 주기의 초격자 구조 형성을 확인하였다.
• 동역학 공간에서의 회절 피크가 관측되어, 초유체의 위상 일관성과 두 개의 별개의 초유체 성분이 존재함을 나타내었다.
• 국소적 위상 일관성이 있고 모리에 척도의 장거리 질서가 없는 초유체-II 상이 식별되었으며, 기존의 초유체 및 모트 절연체 상과는 다름을 보였다.
• 절연체 상은 실공간에서 모리에 패턴을 보였지만 모든 길이 척도에서 위상 일관성이 없었으며, 갭이 있고 압축성이 없는 상태임을 나타내었다.
• 상도는 초유체와 모트 절연체 사이에 제로 온도에서는 예측되지 않은 임계 영역을 보였으며, 중간 정도의 위상 일관성이 있는 열역학적 상임을 시사하였다.
• 고츠윌러 방법을 이용한 이론적 모델링은 초유체(SF), 초유체-II(SF-II), 모트 절연체(MI), 절연체(I)의 네 가지 상이 존재함을 확인하였으며, 상층 간 결합과 화학적 포텐셜에 의해 상 경계가 조절됨을 보였다.