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(tài)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(xiàn)象并預測了眾多新的量光效應，為后續(xù)實驗研究提供了關鍵指導，相關成果以“Superradiancefromnitrogen-vacancycenterscoupledtoanultranarrowopticalcavity”為題發(fā)表于物理學期刊《PhysicalReviewA》上。屈怡丹博士研究生為*作者，張元教授、單崇新教授和丹麥尼爾斯玻爾研究所KlausM?lmer教授為共同通訊作者，鄭州大學為*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)制備等領域具有重要應用。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(fā)輻射的展示。近期，本團隊與德國卡爾斯魯厄理工學院DavidHunger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(xiàn)象（Phys.Rev.X14,041055,2024）。

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(fā)態(tài)導致二階關聯(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光學躍遷占據(jù)布局反轉Dicke態(tài)時的二階關聯(lián)函數(shù)。

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(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，但會在二階關聯(lián)函數(shù)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(xiàn)線性、超線性、線性到亞線性的轉變（圖c），輻射譜表現(xiàn)出拉比劈裂現(xiàn)象且拉比劈裂逐步減小（圖d）；（3）光學泵浦致使NV色心光學躍遷占據(jù)不同的Dicke態(tài)，導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)象還預測了多種新效應，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缺陷），從而為后續(xù)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