日前，鄭州大學(xué)物理學(xué)院在基于金剛石氮空位色心的室溫下微波模式冷卻和腔量子電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)研究方面取得積極進(jìn)展，相關(guān)成果以題為“Microwave Mode Cooling and Cavity Quantum Electrodynamics Effects at Room Temperature with Optically Cooled Nitrogen-vacancy Center Spins”的論文發(fā)表在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《npj Quantum Information》上。鄭州大學(xué)為第一單位，物理學(xué)院青年教師張?jiān)獮榈谝蛔髡吆屯ㄓ嵶髡撸?022級(jí)博士研究生吳琦隆為共同第一作者，鄭州大學(xué)單崇新教授和丹麥奧胡斯大學(xué)Klaus M?lmer教授為共同通訊作者。

金剛石氮空位（Nitrogen-Vacancy, NV）色心的電子自旋在室溫下具有長(zhǎng)的量子相干時(shí)間且可通過(guò)光學(xué)手段進(jìn)行初始化和讀出，在量子傳感、量子信息和量子計(jì)算領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。NV色心的光致自旋極化通常用于光探測(cè)磁共振實(shí)驗(yàn)，但最近的實(shí)驗(yàn)和理論研究表明其也可用來(lái)冷卻自旋系綜，以及實(shí)現(xiàn)室溫下微波模式的冷卻和腔量子電動(dòng)力學(xué)(Cavity Quantum Electrodynamics, CQED)效應(yīng)，例如拉比振蕩、拉比劈裂和超輻射過(guò)程。到目前為止，上述效應(yīng)受限于低頻微波模式較高的熱激發(fā)過(guò)程以及較弱的自旋-微波模式耦合。為解決這些問(wèn)題，本研究建議采用較高頻率的微波模式以減小熱激發(fā)并提高耦合強(qiáng)度。

為從理論上證明上述提議，本研究提出多能級(jí)Jaynes-Cummings（JC）模型來(lái)考慮NV色心的光激發(fā)、自發(fā)輻射、系間竄越、自旋-晶格弛豫以及自旋-微波模式集體相干耦合，利用平均場(chǎng)方法求解模型并模擬上萬(wàn)億個(gè)NV色心與微波諧振器構(gòu)成的系統(tǒng)。模擬預(yù)測(cè)微波光子數(shù)可被冷卻到261，比之前實(shí)驗(yàn)報(bào)道結(jié)果小了5倍；預(yù)測(cè)激光可控制自旋系綜與微波模式的耦合強(qiáng)度，進(jìn)而用于弱-強(qiáng)耦合轉(zhuǎn)變過(guò)程中CQED效應(yīng)的研究；發(fā)現(xiàn)強(qiáng)激光激發(fā)下NV色心電子激發(fā)態(tài)布局限制了自旋冷卻程度，進(jìn)而導(dǎo)致上述效應(yīng)的飽和。在本研究的總結(jié)和發(fā)表中，美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的Donald P. Fahey等獨(dú)立地在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到與理論預(yù)測(cè)類似的現(xiàn)象（arXiv:2203.03462）。通過(guò)適當(dāng)修改，多能級(jí)JC模型可用于研究基于其它固體自旋系統(tǒng)的類似物理現(xiàn)象，以及探索微波激射中的CQED效應(yīng)。

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)劃中心等項(xiàng)目的資助。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41534-022-00642-z。