近日，郑州大学物理学院材料物理研究所金刚石光电材料与器件团队在国际知名物理期刊《Physical Review Letters》上报道了题为“Cavity Quantum Electrodynamics Effects with Nitrogen Vacancy Center Spins Coupled to Room Temperature Microwave Resonators”的理论工作，提出光致自旋冷却可抵消氮空位色心自旋的自旋-晶格弛豫，预言了实现室温腔量子电动力学效应的可能性，且部分预言已被实验证实。郑州大学物理学院青年教师张元副教授为第一作者和通讯作者，2019级硕士研究生吴琦隆为共同第一作者，郑州大学物理学院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。
腔量子电动力学（CQED）研究光腔、微波腔等受限光场模式与原子、自旋等量子发射体间的耦合，其在量子力学基础研究、量子信息、量子传感领域具有极大的应用潜力。CQED效应包括弱耦合导致的超辐射脉冲、强耦合导致的拉比振荡和拉比劈裂，其可通过低温环境下高品质因子的微波谐振器和极化的金刚石氮空位色心（NV）自旋系综（图a上）来实现。但是，低温运行环境与NV色心作为室温固态量子比特的特性相违背，这极大地限制了CQED效应在量子传感、量子信息领域应用的探索。因此，能否实现基于NV色心系综的室温CQED效应便成为一个亟待解决的前沿科研问题。
为解决上述问题，我们深入分析了NV色心自旋的光致初始化过程，即光探测磁共振技术的核心过程，探讨了这个过程对NV色心自旋系综量子态的影响，发现这个过程可克服自旋-晶格弛豫过程（图a下），使自旋系综在室温下仍可占据高对称性的Dicke量子态（图b插图）。处于该量子态的自旋系综可以和高品质因子的介质微波谐振器发生较强集体耦合，从而使拉比劈裂等CQED效应在室温环境下得以实现（图b）。此外，我们预测通过控制光致自旋冷却速率可实现系统弱耦合到强耦合的转变，从而可以主动地控制拉比劈裂的大小，该理论预测目前被美国陆军实验室的Donald P. Fahey等在独立实验中证实了（arXiv:2203.03462）。利用本文揭示的物理机制，我们有望在室温下实现量子存储、自激自旋回波等奇特的量子动力学过程。
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。
