日前，鄭州大學物理學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力學效應研究方面取得積極進展，相關成果以題為“Microwave Mode Cooling and Cavity Quantum Electrodynamics Effects at Room Temperature with Optically Cooled Nitrogen-vacancy Center Spins”的論文發(fā)表在國際權威學術期刊《npj Quantum Information》上。鄭州大學為第一單位，物理學院青年教師張元為第一作者和通訊作者，2022級博士研究生吳琦隆為共同第一作者，鄭州大學單崇新教授和丹麥奧胡斯大學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的量子相干時間且可通過光學手段進行初始化和讀出，在量子傳感、量子信息和量子計算領域展現(xiàn)出了巨大的應用潛力。NV色心的光致自旋極化通常用于光探測磁共振實驗，但最近的實驗和理論研究表明其也可用來冷卻自旋系綜，以及實現(xiàn)室溫下微波模式的冷卻和腔量子電動力學(Cavity Quantum Electrodynamics, CQED)效應，例如拉比振蕩、拉比劈裂和超輻射過程。到目前為止，上述效應受限于低頻微波模式較高的熱激發(fā)過程以及較弱的自旋-微波模式耦合。為解決這些問題，本研究建議采用較高頻率的微波模式以減小熱激發(fā)并提高耦合強度。

為從理論上證明上述提議，本研究提出多能級Jaynes-Cummings（JC）模型來考慮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，利用平均場方法求解模型并模擬上萬億個NV色心與微波諧振器構成的系統(tǒng)。模擬預測微波光子數(shù)可被冷卻到261，比之前實驗報道結果小了5倍；預測激光可控制自旋系綜與微波模式的耦合強度，進而用于弱-強耦合轉變過程中CQED效應的研究；發(fā)現(xiàn)強激光激發(fā)下NV色心電子激發(fā)態(tài)布局限制了自旋冷卻程度，進而導致上述效應的飽和。在本研究的總結和發(fā)表中，美國陸軍研究實驗室的Donald P. Fahey等獨立地在實驗上觀測到與理論預測類似的現(xiàn)象（arXiv:2203.03462）。通過適當修改，多能級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。

該工作得到了國家自然科學基金、河南杰出海外科學家計劃中心等項目的資助。

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