High-orbital flat bands of ultracold atoms in twisted bilayer honeycomb optical lattices

Abstract

最近超冷原子扭转双层光晶格的实验实现为在超冷原子体系中研究平带物理提供了新的平台。已有研究表明在扭转双层蜂巢光晶格s轨道能带的狄拉克点处可以形成平带，从而实现对魔角石墨烯材料的量子模拟。本文进一步研究了扭转双层蜂巢光晶格中超冷原子在高轨道的能带性质。结果表明，在合适的层间耦合下，平带不仅可以在s轨道狄拉克点处出现，还能够在高轨道能带中的其他简并点以及能带顶和能带底形成。对于简并点诱导的平带，存在临界耦合强度，在该临界值附近能带最平，超过临界值后能带再次变得不平。相比之下，能带顶和能带底处的平带随层间耦合强度增大而持续变平。在深光晶格区域，随着层间耦合强度的变化，还观察到平带在能谱中的漂移现象。进一步分析表明，高轨道平带与s轨道狄拉克点诱导的平带在拓扑与几何性质上具有明显差异：后者在单粒子层面呈现出由非零Wilson loop缠绕刻画的非平庸拓扑；而前者的几何相位效应通常受到抑制，表现为wilson loop缠绕数为零。特别地，高轨道狄拉克点诱导的平带虽不支持与s带狄拉克点诱导的平带同类型的强拓扑缠绕，但仍保留一定的非阿贝尔几何相位响应，表现为wilson loop相位在零附近出现有限起伏。超冷原子扭转光晶格中这些丰富的平带结构及其拓扑与几何性质，为进一步研究强关联物理和拓扑量子相变奠定了基础。