近日，恒达平台物理科學與工程學院王策助理教授與浙江師範大學、山西大學🚣🏽‍♀️、清華大學🍙、華東師範大學等單位的專家學者合作🤛🏽，在莫爾物理領域取得了重要進展，相關成果以“Three-dimensional moiré crystal in ultracold atomic gases”為題發表於國際頂級學術期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）。同時，美國物理學會旗下在線網站“物理（physics.aps.org）”對文章進行了精選報道（Featured in Physics）。

將一個規則圖案以位移、旋轉或具有略微不同的角度疊加在另一個類似圖案上，會產生大規模幹涉圖案，即莫爾圖案（moiré pattern）。這一有趣的經典現象近二十年來在物理學中獲得了極大關註🍰。一個著名的例子是轉角雙層石墨烯。當兩層石墨烯以相對轉角堆疊時😘，空間上會呈現出莫爾圖案，並且系統呈現出與單層石墨烯截然不同的性質👬🏻🛥，包括超導與莫特關聯物態✋。以轉角雙層石墨烯為代表的莫爾雙層材料在凝聚態物理學中被廣泛研究🆓，並拓展到了光學、聲學等領域。

受限於材料的製備方式🚣🏼，之前關於莫爾物理的研究主要集中於二維體系👈🔠。王策等人的工作首次提出了利用光晶格中的冷原子來實現三維莫爾材料的具體方案。研究人員從數學上描述了兩個相對轉動的簡單周期性結構如何導致三維莫爾圖案🐸🐧。其結果是具有與底層簡單晶格不同的新特性的晶體結構。研究人員展示了調整轉軸和轉角可以導致多種晶體對稱性，從而能夠探索多樣的材料屬性。

三維莫爾晶格最引人註目的方面之一是其旋轉具有非阿貝爾性（不可交換性）♔：旋轉晶格的順序顯著影響最終結構。這一特性與二維系統形成鮮明對比🐧。在二維系統中，無論旋轉順序如何🫨🏇🏼，旋轉一個物體一個角度然後再旋轉另一個角度，結果總是相同的。而三維的旋轉是不可交換的，可以通過旋轉一個立方體來可視化。先圍繞一個軸旋轉立方體90°，然後圍繞另一個軸旋轉60°，與先進行反向旋轉相比，會得到不同朝向的立方體。現在，假設有兩個立方晶格，一個固定不動，另一個圍繞其軸旋轉，將兩者結合起來從而創建三維莫爾晶格，顯然會導致不同的結構，取決於哪個旋轉先發生。這種復雜性允許更豐富的晶格排列，以及相應的🥇🤦‍♀️，更多樣化的材料屬性。因此💮，利用這種非阿貝爾特性，研究人員擁有了一個強大的工具🏊🏼，可以通過操縱現有的材料來“合成”新材料★，並研究不同的晶體對稱性如何與原子、光子和電子相互作用。

王策等人對可以實現的三維莫爾晶體結構範圍的數學證明，為大家提供了一個新視角🫡，展示了非阿貝爾物理學所能帶來的結果。其中引人註目的是節線半金屬和節點半金屬（即外爾半金屬）的存在♝🦋。節線和節點是材料中能帶的交叉行為。合成一個能帶結構包含節線或節點的材料，為探索各種有趣的現象打開了大門，如拓撲保護的表面態和手性異常🕵🏻。近年來，研究人員已經成功設計了各種復雜的三維結構來產生節線和節點。令人驚訝的是，王策等人的工作揭示了❣️，簡單地扭轉兩個立方晶格🦸🏽‍♂️，所得到的三維莫爾晶體就包含很多種類的節線和節點。這一結果表明，三維莫爾晶格代表了創造拓撲材料及其相應奇異態的新途徑。

該項工作得到了審稿人的高度評價：“This work presents an innovative progress in the field of moire physics⌛️，which can guide the future research of 3D moire systems（這項工作在莫爾物理領域呈現了創新性進展🗡，能夠指導未來三維莫爾系統的研究）”“this work points to the possible explorations of 3D moire physics in synthetic matter, including the ultracold atoms and photonic crystals（這項工作指出了在合成物質中探索三維莫爾物理的可能，包括超冷原子和光子晶體）”。美國物理學會旗下在線網站“物理”還邀請了上海交通大學葉芳偉教授（莫爾物理領域的專家）以“Synthesizing New 3D Materials by Twisting”（轉角合成新型三維材料）為題進行了精選報道（https://physics.aps.org/articles/v17/147）🦸🏽。

王策為論文第一作者，浙江師範大學高超教授和華東師範大學史哲雨研究員為論文共同通訊作者。山西大學張靖教授和清華大學翟薈教授也參與了研究工作。該研究得到了國家自然科學基金👐、國家重點研發計劃、科技部重大項目、浙江省自然科學基金等資助。

王策助理教授主要從事基於超冷原子氣體的量子物理理論研究，研究方向包括強相互作用量子氣體、拓撲物性👵🏿、非平衡動力學以及機器學習在物理問題中的應用。其創新性成果發表在Physical Review Letters,Communications Physics,Science Bulletin等國際一流期刊上🎂，主持國家自然科學基金青年科學基金項目。

論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.133.163401