Иллюстрация: Zengming Meng et al. / Nature, 2023. 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.
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.
(a) Схема оптического пленения атомов в плоской ловушке с наложенными поверх нее скрученными решетками. (b) Решетки атомных потенциалов, смещенные относительно друг друга в синтетическом пространстве. (c) Схема энергетических уровней атома рубидия, использованных для эксперимента. Zengming Meng et al. / Nature, 2023
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.
Фазовая диаграмма, границы которой измерили и рассчитали (черные линии) физики. SF — сверхтекучесть с длинной когеретностью, SF-II — сверхтекучесть с короткой когеретностью, I — обычный изолятор, MI — моттовский изолятор.
Zengming Meng et al. / Nature, 2023
Недавно мы рассказывали, что сверхпроводимость закрученного двухслойного графена объяснили необычной структурой его электронных зон.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
