[论文解读] 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 5

一句话总结

本文通过超冷 87Rb 原子中的自旋依赖性光晶格，实现了对扭曲双层正方光晶格中超流态到 Mott 绝缘体相变的量子模拟。通过设计具有小扭角的两个重叠晶格，并利用微波控制的层间耦合，研究者观测到莫尔条纹和动量衍射，证实了平坦能带的出现以及新型关联物态的形成，包括具有短程相干性的超流-II 相，以及具有莫尔序的绝缘体相。

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.

研究动机与目标

• 利用超冷原子实现可调谐的扭曲双层光晶格平台，用于模拟关联量子物态。
• 探索由自旋态形成的合成维度中平坦能带与强关联性的出现。
• 在可调制层间耦合系统中观测并表征超流态到 Mott 绝缘体相变。
• 通过实空间与动量空间测量，识别新型量子相，如超流-II 相与具有莫尔序的绝缘体相。

提出的方法

• 在调制零点波长（790.02 nm 和 788.28 nm）下使用自旋依赖性光晶格，分别将 87Rb 原子束缚在自旋态 |1⌉ 和 |2⌉ 中。
• 通过两束激光束以小相对角度（5.21°）干涉，形成具有大莫尔周期的扭曲双层晶格结构。
• 利用微波场相干控制层间隧穿，实现两层之间的可调耦合。
• 采用平均场 Gutzwiller 方法进行理论相图映射，识别出超流相、超流-II 相、Mott 绝缘相与绝缘相。
• 通过实空间密度分布与动量空间衍射图案，基于相干性与莫尔结构区分不同物相。
• 采用包含层间耦合项的玻色-Hubbard 哈密顿量建模该系统，参数由晶格深度与拉比频率确定。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在超冷原子体系中，通过自旋依赖性晶格实现可调制的扭曲双层光晶格？
• RQ2 通过微波场调控的层间耦合如何影响平坦能带与关联量子物态的出现？
• RQ3 在实空间与动量空间中，超流相、超流-II 相、Mott 绝缘相与绝缘相具有哪些显著特征？
• RQ4 该系统是否表现出受莫尔周期性与层间耦合调制的超流态到 Mott 绝缘体相变？
• RQ5 莫尔条纹与动量衍射能否在实验中观测到，作为关联物态的指示信号？

主要发现

• 研究者直接观测到原子密度分布中的空间莫尔条纹，证实了大周期超晶格结构的形成。
• 观测到动量空间中的衍射峰，表明存在相干的超流序与两个不同的超流组分。
• 识别出一种超流-II 相，其具有短程相干性且莫尔尺度上的长程序消失，与标准超流相和 Mott 绝缘体相明显不同。
• 绝缘体相在实空间中表现出莫尔条纹，但在所有长度尺度上均缺乏相干性，表明其为具有能隙的不可压缩态。
• 相图揭示了在超流相与 Mott 绝缘体相之间存在一个临界区域，该区域在零温下未被预测，提示存在具有中间相干性的热力学相。
• 基于 Gutzwiller 方法的理论建模证实了四种相的存在：超流相（SF）、超流-II 相（SF-II）、Mott 绝缘相（MI）与绝缘相（I），其相边界可通过层间耦合与化学势调节。