日前，郑州大学物理学院在基于金刚石氮空位色心的室温下微波模式冷却和腔量子电动力学效应研究方面取得积极进展，相关成果以题为“Microwave Mode Cooling and Cavity Quantum Electrodynamics Effects at Room Temperature with Optically Cooled Nitrogen-vacancy Center Spins”的论文发表在国际权威学术期刊《npj Quantum Information》上。郑州大学为第一单位，物理学院青年教师张元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，郑州大学单崇新教授和丹麦奥胡斯大学Klaus Mølmer教授为共同通讯作者。

金刚石氮空位（Nitrogen-Vacancy, NV）色心的电子自旋在室温下具有长的量子相干时间且可通过光学手段进行初始化和读出，在量子传感、量子信息和量子计算领域展现出了巨大的应用潜力。NV色心的光致自旋极化通常用于光探测磁共振实验，但最近的实验和理论研究表明其也可用来冷却自旋系综，以及实现室温下微波模式的冷却和腔量子电动力学(Cavity Quantum Electrodynamics, CQED)效应，例如拉比振荡、拉比劈裂和超辐射过程。到目前为止，上述效应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。为解决这些问题，本研究建议采用较高频率的微波模式以减小热激发并提高耦合强度。

为从理论上证明上述提议，本研究提出多能级Jaynes-Cummings（JC）模型来考虑NV色心的光激发、自发辐射、系间窜越、自旋-晶格弛豫以及自旋-微波模式集体相干耦合，利用平均场方法求解模型并模拟上万亿个NV色心与微波谐振器构成的系统。模拟预测微波光子数可被冷却到261，比之前实验报道结果小了5倍；预测激光可控制自旋系综与微波模式的耦合强度，进而用于弱-强耦合转变过程中CQED效应的研究；发现强激光激发下NV色心电子激发态布局限制了自旋冷却程度，进而导致上述效应的饱和。在本研究的总结和发表中，美国陆军研究实验室的Donald P. Fahey等独立地在实验上观测到与理论预测类似的现象（arXiv:2203.03462）。通过适当修改，多能级JC模型可用于研究基于其它固体自旋系统的类似物理现象，以及探索微波激射中的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等项目的资助。

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