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近日，鄭州大學(xué)物理學(xué)院金剛石光電材料與器件團隊在量子光學(xué)、固態(tài)色心領(lǐng)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(xué)微腔的集體耦合，詮釋了前期研究中的實驗現(xiàn)象并預(yù)測了眾多新的量光效應(yīng)，為后續(xù)實驗研究提供了關(guān)鍵指導(dǎo)，相關(guān)成果以“Superradiance from nitrogen-vacancy centers coupled to an ultranarrow optical cavity”為題發(fā)表于物理學(xué)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(xué)為第一單位。
超輻射是量子發(fā)射體通過與光場的集體耦合產(chǎn)生的協(xié)同自發(fā)輻射現(xiàn)象，其強度隨發(fā)射體數(shù)量呈非線性增長，在量子傳感、多光子糾纏態(tài)制備等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。在過去的十來年，人們實現(xiàn)了NV色心自旋與多種高品質(zhì)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(yīng)。相較而言，NV色心光學(xué)躍遷具有較嚴(yán)重的非均勻展寬和頻率漂移，這限制了其與高品質(zhì)光腔間的集體耦合，迄今相關(guān)研究僅局限于Purcell增強自發(fā)輻射的展示。近期，本團隊與德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院David Hunger教授組合作，利用低溫環(huán)境抑制了上述過程，實現(xiàn)了NV色心光學(xué)躍遷與高精細(xì)光學(xué)微腔的集體耦合，展示了超輻射導(dǎo)致的輻射非線性和光子超聚束現(xiàn)象（Phys. Rev. X 14, 041055, 2024）。
圖（a）多能級NV色心與光學(xué)微腔的耦合示意圖。（b）NV色心單重激發(fā)態(tài)導(dǎo)致二階關(guān)聯(lián)函數(shù)中“肩峰”的出現(xiàn)。（c,d）隨光泵浦速率的增大，輻射速率表現(xiàn)出非線性變化，輻射譜中拉比劈裂逐步減小。（e）NV光學(xué)躍遷占據(jù)布局反轉(zhuǎn)Dicke態(tài)時的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)。
為進(jìn)一步詮釋實驗結(jié)果并預(yù)言新的量光效應(yīng)，本研究突破了原有的二能級簡化模型，構(gòu)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(jié)合密度矩陣與累積量平均場求解方法揭示了以下關(guān)鍵現(xiàn)象：（1）NV色心的單重態(tài)激發(fā)態(tài)并不影響上述集體效應(yīng)，但會在二階關(guān)聯(lián)函數(shù)譜中較長延遲時間處引入光子聚束導(dǎo)致的“肩峰”（圖b）；（2）隨著光泵浦速率的增大，輻射強度會出現(xiàn)線性、超線性、線性到亞線性的轉(zhuǎn)變（圖c），輻射譜表現(xiàn)出拉比劈裂現(xiàn)象且拉比劈裂逐步減?。▓Dd）；（3）光學(xué)泵浦致使NV色心光學(xué)躍遷占據(jù)不同的Dicke態(tài)，導(dǎo)致了豐富的光子聚束現(xiàn)象（圖e）。
理論工作不僅詮釋了前期實驗現(xiàn)象還預(yù)測了多種新效應(yīng)，且研究成果可推廣至其它固態(tài)色心體系（如硅空位、六方氮化硼中的碳相關(guān)缺陷），從而為后續(xù)實驗設(shè)計提供了關(guān)鍵指導(dǎo)。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金等項目的資助。
全文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevA.111.033711
豫公網(wǎng)安備41019702003646號