近日，鄭州大學物理學院材料物理研究所金剛石光電材料與器件團隊在國際知名物理期刊《Physical Review Letters》上報道了題為“Cavity Quantum Electrodynamics Effects with Nitrogen Vacancy Center Spins Coupled to Room Temperature Microwave Resonators”的理論工作，提出光致自旋冷卻可抵消氮空位色心自旋的自旋-晶格弛豫，預言了實現室溫腔量子電動力學效應的可能性，且部分預言已被實驗證實。鄭州大學物理學院青年教師張元副教授為第一作者和通訊作者，2019級碩士研究生吳琦隆為共同第一作者，鄭州大學物理學院單崇新教授和丹麥奧胡斯大學Klaus M?lmer教授為共同通訊作者，鄭州大學為第一單位。

       腔量子電動力學（CQED）研究光腔、微波腔等受限光場模式與原子、自旋等量子發射體間的耦合，其在量子力學基礎研究、量子信息、量子傳感領域具有極大的應用潛力。CQED效應包括弱耦合導致的超輻射脈沖、強耦合導致的拉比振蕩和拉比劈裂，其可通過低溫環境下高品質因子的微波諧振器和極化的金剛石氮空位色心（NV）自旋系綜（圖a上）來實現。但是，低溫運行環境與NV色心作為室溫固態量子比特的特性相違背，這極大地限制了CQED效應在量子傳感、量子信息領域應用的探索。因此，能否實現基于NV色心系綜的室溫CQED效應便成為一個亟待解決的前沿科研問題。

       為解決上述問題，我們深入分析了NV色心自旋的光致初始化過程，即光探測磁共振技術的核心過程，探討了這個過程對NV色心自旋系綜量子態的影響，發現這個過程可克服自旋-晶格弛豫過程（圖a下），使自旋系綜在室溫下仍可占據高對稱性的Dicke量子態（圖b插圖）。處于該量子態的自旋系綜可以和高品質因子的介質微波諧振器發生較強集體耦合，從而使拉比劈裂等CQED效應在室溫環境下得以實現（圖b）。此外，我們預測通過控制光致自旋冷卻速率可實現系統弱耦合到強耦合的轉變，從而可以主動地控制拉比劈裂的大小，該理論預測目前被美國陸軍實驗室的Donald P. Fahey等在獨立實驗中證實了（arXiv:2203.03462）。利用本文揭示的物理機制，我們有望在室溫下實現量子存儲、自激自旋回波等奇特的量子動力學過程。

       該工作得到了國家自然科學基金、河南杰出海外科學家計劃中心和丹麥國家研究基金等項目的資助。