第一作者：Marcell Gall, Nicola Wurz
波恩大学Michael Köhl等首次实现了两层相互耦合的晶格中磁相互作用的精确调控。具体的，作者在超冷光学晶格中实现了双层Fermi-Hubbard结构，随后通过控制层之间的耦合，实现了平面反铁磁有序莫特绝缘子、单自旋带状绝缘子之间的调控。通过测试层内/层间的自旋-自旋相互作用表征磁态之间的竞争性关系。通过激光、磁场将超冷原子的温度控制在绝对零度以上的百万分之一度，原子限域在光学晶格中模拟了固体材料中的电子行为，该实验为科学家开发能够避免外部操作影响的实验提供了合适的平台。
图1.双层Fermi-Hubbard结构磁调控（a）平面反铁磁有序莫特绝缘子(层间隧道作用较弱，t≫t⊥)（b）单自旋带状绝缘子之间的调控（层间隧道作用较强，t⊥≪t）。（c）实验中构建双粒子组成的超晶格层状结构。作者通过高分辨显微镜（自旋分辨、高密度分辨成像技术），对同一层中的原子之间相互作用进行观测，随后观测到这种模拟固体材料中原子磁序的相互对齐情况，以及原子之间其他类型磁性相互作用；对不同层中的相互作用进行观测，发现不同层之间的磁性相互作用和同一层原子之间的磁性表现为竞争性作用，而且当不同层中的耦合强度增加，层之间的磁相互作用提高，然而同一层中的相互作用降低。通过调控不同层之间的耦合强度，在不改变材料的其他条件中，实现了磁的方向旋转90°。这种现象为深入理解相互耦合层体系中的磁性传播提供了实验平台，有望用于开发材料的功能和预测提供方法，比如与磁耦合效应有较强联系的高温超导现象、开发超导相关新技术。Michael Köhl教授，1995-1998年间于海德堡大学获学士学位，1999年于麻省理工学院进行硕士研究，法兰克福大学获得硕士学位，2001年于获得慕尼黑大学和马克斯-普朗克量子光学研究所授予博士学位（导师：T.W. Hänsch）。2001~2006年间于苏黎世联邦理工学院进行博士后研究（导师：T. Esslinger）。随后分别在剑桥大学、剑桥大学三一学院工作和任教。2013年起，转入波恩大学任教。Marcell Gall, Nicola Wurz, Jens Samland, Chun Fai Chan & Michael Köhl*, Competing magnetic orders in a bilayer Hubbard model with ultracold atoms, Nature 589, 40–43(2021)DOI: 10.1038/s41586-020-03058-xhttps://www.nature.com/articles/s41586-020-03058-x
