近日，我院材料物理研究所金刚石光电材料与器件团队在高品质光学微腔与金刚石氮空位（Nitrogen-Vacancy, NV）色心的量子集体耦合方面取得重要研究进展，为多光子量子态制备、发射体量子纠缠制备以及增强的量子传感研究奠定了基础，相关成果以“Cavity-Mediated Collective Emission from Few Emitters in a Diamond Membrane”为题发表于国际知名物理期刊《Physical ReviewX》。我院张元教授、德国卡尔斯鲁厄理工学院David Hunger教授为共同通讯作者，丹麦尼尔斯玻尔研究所Klaus Mølmer教授为共同作者，郑州大学为第二单位。

超辐射源于量子发射体与真空电磁场间的集体耦合，其中最显著的特征是时间延迟的超辐射脉冲，其强度随着发射体数量呈二次方增长。因为超辐射在主动光钟、量子存储器以及量子计量学等领域的潜在应用，在过去的几十年里受到人们持续地关注和研究。值得注意的是，即使是非相干激发的量子发射体也能产生超辐射，但其通常要求量子发射体具备足够的光学相干性和空间密度。在固态系统中满足这些要求具有极大的挑战性，因为高密度的量子发射体通常会受到非均匀展宽及频率漂移等效应的影响。然而，近期研究表明，即使在室温下存在强声子展宽的情况下，纳米金刚石中的高密度NV色心系综也能展示出超辐射特性，但这种超辐射的不可控性限制了其应用范围。通过将NV色心耦合到一个高精细度的光学微腔，可利用微腔的单模光场媒介相距较远NV色心的耦合，从而为可控的超辐射研究和应用奠定了基础。

图（a）为光纤-镜面构成的光学微腔与金刚石微米片中NV色心系综构成的系统。图（b）和（c）为光腔模式与NV色心零声子线共振时辐射随激光泵浦速率的非线性增长，及强激发时表现出的光子超聚束现象。图（d）为强激光激发时NV色心系综在Dicke量子态上布局分布。图（e）为NV色心数目增多时理论计算的辐射由线性转为非线性变化。图（f）为NV色心数目增多时理论计算的光子关联表现出反聚束到超聚束的转变。

在本研究中，David教授组实现了光纤-镜面光学微腔与金刚石微米片中NV色心系综的集体耦合（图a），观察到微腔高品质光学模式与NV色心零声子线共振时辐射强度和自发辐射速率显著增加，既珀塞尔增强自发辐射现象。进一步研究表明，辐射强度随激光泵浦速率非线性增长（图b），二阶关联函数表现出超聚束和聚束边带现象（图c）。为诠释实验现象背后的物理机制，张元教授、Klaus教授和David教授进行了长达三年的合作，对NV色心的复杂能级结构和过程进行分析，精炼出NV色心的二能级系综模型，考虑其与微腔模式的集体耦合，采用腔量子电动力学理论对涉及的主要物理过程进行描述，指出辐射非线性和光子超聚束现象（图e和f）来自于占据低对称性激发Dicke态的系综的集体辐射过程（图d）。在此基础上，他们还提出了更为完备的理论，对实验现象进行了进一步的研究并预测了很多新的现象。相关工作近期被《Physical ReviewA》期刊接收。本工作解决了金刚石NV色心系综与光场集体耦合的难题，为基于其的多光子量子态制备、发射体量子纠缠制备以及增强的量子传感研究奠定了基础。

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://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevX.14.041055