近日，实验室金刚石光电材料与器件团队在自然出版社合作期刊《npj Quantum Information》上报道了题为“Microwave Mode Cooling and Cavity Quantum Electrodynamics Effects at Room Temperature with Optically Cooled Nitrogen-vacancy Center Spins”的理论工作，提出采用高频率微波谐振器可减小热激发效应和提高与氮空位色心自旋的耦合，从而可实现更好的室温微波模式冷却和腔量子电动力学效应，同时也预言了强激光激发下色心高激发态占据导致的饱和效应，理论预言的相关效应已在独立的实验中得到证实。青年教师张元副教授为第一作者和通讯作者，2022级博士研究生吴琦隆为共同第一作者，苏石磊、杨珣副教授以及北京理工大学吴昊博士为共同作者，单崇新教授和丹麦奥胡斯大学Klaus Mølmer教授为共同通讯作者，郑州大学为第一单位。

金刚石氮空位（nitrogen-vacancy, NV）色心为一种典型的室温固态自旋体系，可用于磁场、电场、温度等的量子传感，并在量子信息和量子计算领域具有巨大的应用潜力。这些应用主要得益于NV色心独特的物理性质，即三重电子基态的自旋在室温下具有长的量子相干时间，且可通过光学的手段进行初始化和读出。NV色心自旋的光致极化通常作为光探测磁共振实验的第一个步骤，但最近的实验表明这种机制也可用于实现NV色心自旋系综的冷却，并进一步地可用于冷却与NV色心自旋系综耦合的谐振器微波模式[Appl. Phys. Lett.119, 234001(2021)]。此外，我们最近的研究表明，激光冷却的NV色心自旋系综可用于实现室温下的腔量子电动力学(Cavity Quantum Electrodynamics, CQED)效应[Phys. Rev. Lett.128, 253601(2022)]，例如拉比振荡、拉比劈裂和超辐射过程。

到目前为止，上述微波模式冷却过程受限于低频微波模式较高的热激发过程以及较弱的自旋-微波模式耦合。在本研究中，我们建议采用具有较高频率的微波模式以减小热激发并提高耦合强度，从而实现更好的微波模式冷却和CQED效应。具体而言，我们建议研究图(a,b)所示的系统，采用较强的磁场引起NV色心自旋态的赛曼劈裂，考虑较高频率的+1↔0自旋跃迁与微波谐振器的耦合，利用激光泵浦下极化到0态的自旋实现对微波模式的吸收，并通过与外部微波激励的耦合实现CQED现象。该系统类似于用于微波激射的实验装置[Nature555, 493 (2018)]，但后者探索的是0↔-1自旋跃迁，采用极化到0态的自旋实现对微波的放大而不是吸收。进一步地，为更精确的描述NV色心的光致自旋冷却过程，我们扩展了之前研究采用的二能级Jaynes-Cummings（JC）模型，提出了多能级JC模型，考虑NV色心的光激发、自发辐射、系间窜越、自旋-晶格弛豫，以及NV色心自旋系综-微波谐振器间的集体相干耦合（图b）。

利用平均场理论对多能级JC模型求解，我们模拟了上万亿个NV色心与微波谐振器构成的系统，研究了不同激光激发下NV色心和微波模式的动力学，探究了其对微波模式冷却及CQED现象的影响。理论模拟预测高频率微波模式的光子数可被冷却到261（对应于116 K的有效温度），其比之前实验报道的冷却光子数小了5倍（图c）；预测激光可控制NV色心自旋系综所处的Dicke量子态进而控制其与微波模式的耦合强度，最终可用于弱-强耦合转变过程中CQED效应的研究（图d）。此外，我们还发现强激光激发下布局数向NV色心的高电子激发态进行转移，该过程限制了NV色心自旋冷却的程度，导致微波冷却和CQED效应的饱和（图c，d）。在本研究的总结和发表过程中，美国陆军实验室的Donald P. Fahey等独立地在实验上研究了类似的系统，观察到了激光功率控制的微波模式冷却、拉比劈裂，及强激光激发导致的饱和效应（arXiv:2203.03462）。通过适当改进多能级JC模型，我们有望研究基于其它固体自旋系统中的上述物理现象，以及探讨微波激射中的CQED效应。

该工作得到了国家自然科学基金、河南杰出海外科学家计划中心和丹麦国家研究基金等项目的资助。

全文链接：https://www.nature.com/articles/s41534-022-00642-z。