近日，鄭州大學(xué)物理學(xué)院材料物理研究所金剛石光電材料與器件團(tuán)隊(duì)在國(guó)際知名物理期刊《Physical Review Letters》上報(bào)道了題為“Cavity Quantum Electrodynamics Effects with Nitrogen Vacancy Center Spins Coupled to Room Temperature Microwave Resonators”的理論工作，提出光致自旋冷卻可抵消氮空位色心自旋的自旋-晶格弛豫，預(yù)言了實(shí)現(xiàn)室溫腔量子電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的可能性，且部分預(yù)言已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。鄭州大學(xué)物理學(xué)院青年教師張?jiān)苯淌跒榈谝蛔髡吆屯ㄓ嵶髡撸?019級(jí)碩士研究生吳琦隆為共同第一作者，鄭州大學(xué)物理學(xué)院?jiǎn)纬缧陆淌诤偷湂W胡斯大學(xué)Klaus M?lmer教授為共同通訊作者，鄭州大學(xué)為第一單位。

       腔量子電動(dòng)力學(xué)（CQED）研究光腔、微波腔等受限光場(chǎng)模式與原子、自旋等量子發(fā)射體間的耦合，其在量子力學(xué)基礎(chǔ)研究、量子信息、量子傳感領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。CQED效應(yīng)包括弱耦合導(dǎo)致的超輻射脈沖、強(qiáng)耦合導(dǎo)致的拉比振蕩和拉比劈裂，其可通過(guò)低溫環(huán)境下高品質(zhì)因子的微波諧振器和極化的金剛石氮空位色心（NV）自旋系綜（圖a上）來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，低溫運(yùn)行環(huán)境與NV色心作為室溫固態(tài)量子比特的特性相違背，這極大地限制了CQED效應(yīng)在量子傳感、量子信息領(lǐng)域應(yīng)用的探索。因此，能否實(shí)現(xiàn)基于NV色心系綜的室溫CQED效應(yīng)便成為一個(gè)亟待解決的前沿科研問(wèn)題。

       為解決上述問(wèn)題，我們深入分析了NV色心自旋的光致初始化過(guò)程，即光探測(cè)磁共振技術(shù)的核心過(guò)程，探討了這個(gè)過(guò)程對(duì)NV色心自旋系綜量子態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程可克服自旋-晶格弛豫過(guò)程（圖a下），使自旋系綜在室溫下仍可占據(jù)高對(duì)稱性的Dicke量子態(tài)（圖b插圖）。處于該量子態(tài)的自旋系綜可以和高品質(zhì)因子的介質(zhì)微波諧振器發(fā)生較強(qiáng)集體耦合，從而使拉比劈裂等CQED效應(yīng)在室溫環(huán)境下得以實(shí)現(xiàn)（圖b）。此外，我們預(yù)測(cè)通過(guò)控制光致自旋冷卻速率可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)弱耦合到強(qiáng)耦合的轉(zhuǎn)變，從而可以主動(dòng)地控制拉比劈裂的大小，該理論預(yù)測(cè)目前被美國(guó)陸軍實(shí)驗(yàn)室的Donald P. Fahey等在獨(dú)立實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了（arXiv:2203.03462）。利用本文揭示的物理機(jī)制，我們有望在室溫下實(shí)現(xiàn)量子存儲(chǔ)、自激自旋回波等奇特的量子動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

       該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、河南杰出海外科學(xué)家計(jì)劃中心和丹麥國(guó)家研究基金等項(xiàng)目的資助。