金刚石NV center与磁介质超晶格表面声子极化激元强耦合的新型量子器件研究

Solid state systems such as NV centers play an important role in quantum information processing and the fundamental investigation of quantum physics. In this project, we propose to investigate strong couplings between single NV centers and surface phonon polaritons in a piezomagnetic superlattice. With this strong magnetic coupling, we investigate new schemes for hybrid quantum devices that may be useful in quantum information. At the single quantum level, we study the quantum phenomena and underlying physics between single NV spins and surface phonon polaritons. We also propose to make use of the spin and optical properties of the NV centers, and the excellent features of surface phonon polaritons in a piezomagnetic superlattice, which can help to realize the strong coupling limit. This work allows for the construction of hybrid quantum devices with NV spins and piezomagnetic metamaterials, which can provide a promising platform for implementing quantum information.

固态量子系统如金刚石NV center由于具有可集成、易操控等特性因而在量子物理的基础与应用研究领域发挥着重要的作用。本项目拟研究金刚石NV center和磁性超晶格表面声子极化激元强耦合中的量子现象和物理机制，探究基于这一混合量子系统构建新型量子器件的新原理与新方案。在单量子态水平上探究NV center和压磁体超晶格中量子化的表面声子极化激元强相互作用过程中的量子现象及过程的物理机理；基于NV center卓越的自旋和光学特性，结合超晶格材料的可调制、易操控特性，以及磁介质超晶格表面声子极化激元的场局域增强效应，研究构建实用化、可扩展、易操控、相干性好的新型量子器件。本项研究为金刚石NV center和磁性超晶格表面声子极化激元强耦合体系在量子操控、量子计算等方面的应用建立理论基础和提供基本方法，为发展实用化、可扩展、易操控、相干性好的新型量子器件提供理论和技术支持。

固态量子系统如金刚石NV center由于具有可集成、易操控等特性因而在量子物理的基础与应用研究领域发挥着重要的作用。本项目以金刚石NV center和磁性超晶格表面声子极化激元以及纳米机械振子强耦合中的量子现象和物理机制为基础，探究基于这一混合量子系统构建新型量子器件的新原理与新方案。在单量子态水平上探究了NV center和压磁体超晶格中量子化的表面声子极化激元、纳米机械振子强相互作用过程中的量子现象及过程的物理机理；基于NV center卓越的自旋和光学特性，结合超晶格材料的可调制、易操控特性，以及磁介质超晶格表面声子极化激元的场局域增强效应，研究构建实用化、可扩展、易操控、相干性好的新型量子器件。本项研究为金刚石NV center和磁性超晶格表面声子极化激元强耦合体系在量子操控、量子计算等方面的应用建立理论基础和提供基本方法，为发展实用化、可扩展、易操控、相干性好的新型量子器件提供理论和技术支持。研究成果Phys. Rev. Lett. 125, 153602 (2020)被基金委以“我国学者在自旋-纳米机械振子混合量子体系研究中取得进展”为题进行了报道。