近日，鄭州大學物理學院金剛石光電材料與器件團隊在量子光學、固態色心領域取得理論突破。該工作提出多個理論模型描述了金剛石氮空位（Nitrogen-Vacancy, NV）色心與超窄光學微腔的集體耦合，詮釋了前期研究中的實驗現象并預測了眾多新的量光效應，為后續實驗研究提供了關鍵指導，相關成果以“Superradiance from nitrogen-vacancy centers coupled to an ultranarrow optical cavity”為題發表于物理學期刊《Physical Review A》上。屈怡丹博士研究生為第一作者，張元教授、單崇新教授和丹麥尼爾斯玻爾研究所Klaus M?lmer教授為共同通訊作者，鄭州大學為第一單位。

       超輻射是量子發射體通過與光場的集體耦合產生的協同自發輻射現象，其強度隨發射體數量呈非線性增長，在量子傳感、多光子糾纏態制備等領域具有重要應用。在過去的十來年，人們實現了NV色心自旋與多種高品質微波腔的集體耦合，展示了微波頻段的超輻射脈沖、拉比劈裂、拉比振蕩等量光效應。相較而言，NV色心光學躍遷具有較嚴重的非均勻展寬和頻率漂移，這限制了其與高品質光腔間的集體耦合，迄今相關研究僅局限于Purcell增強自發輻射的展示。近期，本團隊與德國卡爾斯魯厄理工學院David Hunger教授組合作，利用低溫環境抑制了上述過程，實現了NV色心光學躍遷與高精細光學微腔的集體耦合，展示了超輻射導致的輻射非線性和光子超聚束現象（Phys. Rev. X 14, 041055, 2024）。

       圖（a）多能級NV色心與光學微腔的耦合示意圖。（b）NV色心單重激發態導致二階關聯函數中“肩峰”的出現。（c,d）隨光泵浦速率的增大，輻射速率表現出非線性變化，輻射譜中拉比劈裂逐步減小。（e）NV光學躍遷占據布局反轉Dicke態時的二階關聯函數。

       為進一步詮釋實驗結果并預言新的量光效應，本研究突破了原有的二能級簡化模型，構建了多個更為精密的理論來考量NV色心多能級的影響（圖a），并結合密度矩陣與累積量平均場求解方法揭示了以下關鍵現象：（1）NV色心的單重態激發態并不影響上述集體效應，但會在二階關聯函數譜中較長延遲時間處引入光子聚束導致的“肩峰”（圖b）；（2）隨著光泵浦速率的增大，輻射強度會出現線性、超線性、線性到亞線性的轉變（圖c），輻射譜表現出拉比劈裂現象且拉比劈裂逐步減小（圖d）；（3）光學泵浦致使NV色心光學躍遷占據不同的Dicke態，導致了豐富的光子聚束現象（圖e）。

       理論工作不僅詮釋了前期實驗現象還預測了多種新效應，且研究成果可推廣至其它固態色心體系（如硅空位、六方氮化硼中的碳相關缺陷），從而為后續實驗設計提供了關鍵指導。

       該工作得到了國家自然科學基金等項目的資助。

       全文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevA.111.033711