郑州大学：金刚石氮空位色心新突破

近日，郑州大学物理学院金刚石光电材料与器件团队在量子光学、固态色心领域取得理论突破。该工作提出多个理论模型描述了金刚石氮空位（Nitrogen-Vacancy, NV）色心与超窄光学微腔的集体耦合，诠释了前期研究中的实验现象并预测了众多新的量光效应，为后续实验研究提供了关键指导，相关成果以“Superradiance from nitrogen-vacancy centers coupled to an ultranarrow optical cavity”为题发表于物理学期刊《Physical Review A》上。屈怡丹博士研究生为第一作者，张元教授、单崇新教授和丹麦尼尔斯玻尔研究所Klaus Mølmer教授为共同通讯作者，郑州大学为第一单位。

超辐射是量子发射体通过与光场的集体耦合产生的协同自发辐射现象，其强度随发射体数量呈非线性增长，在量子传感、多光子纠缠态制备等领域具有重要应用。在过去的十来年，人们实现了NV色心自旋与多种高品质微波腔的集体耦合，展示了微波频段的超辐射脉冲、拉比劈裂、拉比振荡等量光效应。相较而言，NV色心光学跃迁具有较严重的非均匀展宽和频率漂移，这限制了其与高品质光腔间的集体耦合，迄今相关研究仅局限于Purcell增强自发辐射的展示。近期，本团队与德国卡尔斯鲁厄理工学院David Hunger教授组合作，利用低温环境抑制了上述过程，实现了NV色心光学跃迁与高精细光学微腔的集体耦合，展示了超辐射导致的辐射非线性和光子超聚束现象（Phys. Rev. X 14, 041055, 2024）。

图（a）多能级NV色心与光学微腔的耦合示意图。（b）NV色心单重激发态导致二阶关联函数中“肩峰”的出现。（c,d）随光泵浦速率的增大，辐射速率表现出非线性变化，辐射谱中拉比劈裂逐步减小。（e）NV光学跃迁占据布局反转Dicke态时的二阶关联函数。

为进一步诠释实验结果并预言新的量光效应，本研究突破了原有的二能级简化模型，构建了多个更为精密的理论来考量NV色心多能级的影响（图a），并结合密度矩阵与累积量平均场求解方法揭示了以下关键现象：（1）NV色心的单重态激发态并不影响上述集体效应，但会在二阶关联函数谱中较长延迟时间处引入光子聚束导致的“肩峰”（图b）；（2）随着光泵浦速率的增大，辐射强度会出现线性、超线性、线性到亚线性的转变（图c），辐射谱表现出拉比劈裂现象且拉比劈裂逐步减小（图d）；（3）光学泵浦致使NV色心光学跃迁占据不同的Dicke态，导致了丰富的光子聚束现象（图e）。

理论工作不仅诠释了前期实验现象还预测了多种新效应，且研究成果可推广至其它固态色心体系（如硅空位、六方氮化硼中的碳相关缺陷），从而为后续实验设计提供了关键指导。

该工作得到了国家自然科学基金等项目的资助。

全文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevA.111.033711