Конденсат в оптических решетках сымитировал твистронный материал

Физики сымитировали скрученный двухслойный материал с помощью бозе-конденсата атомов рубидия, помещенный в две оптические решетки, повернутые относительно друг друга на небольшой угол. Длины волн решеточных лазеров были настроены так, чтобы ограничивать атомы с противоположным направлением спина, а для их переброски между решетками использовалось микроволновое излучение. При таких условиях ученые нашли четыре различные фазы, включая сверхтекучесть и фазу моттовского изолятора. Исследование опубликовано в Nature.

Твистроника — то есть исследование новых свойств у двумерных материалов, слои которых скручены относительно друг друга на некоторый угол — переживает сейчас бурное развитие. Физики находят в таких структурах необычный магнитных порядок и формируют вигнеровские электронные кристаллы, а двухслойный скрученный графен способен в зависимости от угла быть странным металлом, сверхпроводником или моттовским изолятором. Подробнее об этом читайте в материале «Тонко закручено».

Подобные твердотельные явления можно изучать и с помощью их атомных аналогов. Запирая холодные атомы в оптических ловушках или оптических решетках и управляя их взаимодействием, физикам удается наблюдать процессы, схожие с процессами в кристаллах. В этом случае атомные бозе- и ферми-газы выступают в роли квантовых симуляторов с большим контролем над протеканием процессов.

Попытаться симулировать твистронные эффекты с помощью оптических решеток физики предложили сравнительно недавно. Для этого требуется сформировать две решетки, ориентированные под углом друг к другу. При этом необязательно разносить их в пространстве: можно ввести синтетическую размерность, эквивалентную разной высоте слоев в двухслойном графене, если настроиться на разные спиновые состояния атомов в одном и том же облаке. Именно таким путем пошли физики из Китая и США под руководством Цзиня Чжана (Jing Zhang) из Университета Шаньси.

В своей работе ученые использовали бозе-конденсат атомов рубидия-87, загруженный в две перекрывающиеся квадратные оптические решетки и зажатый по вертикали двумерной оптической ловушкой. Чтобы свет одной решетки не тревожил атомы другой, лазеры были настроены на тюн-аут частоты разных состояний рубидия, соответствующих разным значениям и проекциям полного углового момента. Используя микроволновые импульсы, физики могли менять атомные спины, и, следовательно, перебрасывать атомы между решетками, что имитировало скачки носителей заряда между слоями скрученного графена.

Ключевыми методами исследования в текущем эксперименте стали абсорбционная визуализация и измерение атомных импульсов времяпролетным методом после выключения ловушек. Первый метод позволил разглядеть муаровый узор атомной плотности. Для длин волн обоих лазеров, примерно равных 790 нанометрам, и угла скручивания 5,21 градуса период муаровой сверхрешетки оказался равен 4,35 микрометра. Второй метод позволял исследовать длину когерентности с помощью дифракции атомов на решетках. Если она была достаточно большая, в дифрактограмме появлялись пики, обусловленные муаровым узором.

Меняя глубину оптических решеток и интенсивность микроволнового излучения, физики просканировали все фазовое пространство системы и выделили четыре области: сверхтекучесть с длинной и короткой когерентностью, обычная и моттовская изоляция. Результаты опытов качественно сошлись с теоретическими оценками. В будущем авторы надеются повторить такой опыт с фермионными атомами в гексагональных оптических решетках, чтобы максимально приблизиться к скрученному графену.

Недавно мы рассказывали, что сверхпроводимость закрученного двухслойного графена объяснили необычной структурой его электронных зон.