全金属磁Purcell增强实现热稳定室温微波激射器

《Nature Communications》：All-metallic magnetic Purcell enhancement in a thermally stable room-temperature maser

本刊推荐：为解决高介电常数谐振器热稳定性差的问题，研究人员开展全金属环形裂环谐振器集群设计，实现了室温下Purcell因子达5×106、模式体积仅8.1×10-6λm3的磁量子发射增强。该器件在五并苯微波激射器中展现出连续18000次激发下的频率稳定性，为室温量子技术提供了免调谐的实用化方案。

　　

在量子信息技术蓬勃发展的今天，磁性量子发射器因其长相干时间和光学可控性成为理想载体，然而如何有效操控其自发辐射速率始终是领域内的核心挑战。Purcell效应指出，通过高品质因数（Q值）和微小模式体积（V_m）的谐振结构可增强发射速率，但对于波长长达分米级的微波波段，实现λ_m³量级的模式压缩犹如“大海捞针”。当前主流方案采用钛酸锶（SrTiO₃）等高介电常数材料构建谐振器，虽能获得高Purcell因子，却因其介电常数温度系数高达1700 ppm/K，导致共振频率随温度漂移，使器件在光学泵浦过程中被迫频繁重调，严重制约实用性。

针对这一瓶颈，洛桑联邦理工学院波工程实验室Rongrong Xiang等人在《Nature Communications》发表研究，提出了一种全金属环形裂环谐振器（SRR）集群结构。该设计通过四层同心裂环的三维堆叠，将磁能量局域于直径3毫米的柱形区域，模拟计算显示其模式体积仅8.1×10^-6λ_m³，较波长立方缩小35万倍。团队采用失蜡金属铸造技术一体成型银质谐振器，并构建以五并苯（pentacene）为增益介质的室温微波激射器进行验证。

关键技术方法包括：通过有限元仿真优化谐振器几何形状；采用间接增材制造（失蜡铸造）实现银质 monolithic SRR集群；使用垂直布里奇曼法生长五并苯:对三联苯晶体（浓度0.1% mol/mol）；基于Lotka-Volterra模型拟合微波光子数动态过程。

Ultra-strong magnetic Purcell-enhanced stimulation

实验测得SRR集群基模频率为1.45 GHz，负载Q值530。当泵浦激光能量超过2.3 mJ阈值时，微波激射脉冲出现，其时间波形与L-V模型高度吻合。在5.9 mJ泵浦下脉冲出现振荡特征，可能源于自旋系综与腔模的相干能量交换或超辐射现象。

Excellent spectral robustness against thermal variations

通过连续5小时、18000次激光脉冲实验对比SRR与SrTiO₃谐振器的稳定性。SRR激射谱线在频率和强度上保持稳定，而SrTiO₃器件中心频率从1.449 GHz蓝移至1.453 GHz，最终因失谐导致信号消失。热仿真证实SrTiO₃温度系数达1700 ppm/K，而银质SRR仅130 ppm/K，且其高热导率可快速耗散泵浦热沉积。

研究结论表明，全金属SRR集群通过λ_m/17的深亚波长结构实现了5×10⁶的Purcell因子，实验测得模式体积0.072 cm³，合作性（cooperativity）C≈6.4表明进入强耦合区域。该设计突破了高介电材料的热稳定性限制，为氮空位（NV）色心等磁性量子器件的室温应用开辟新路径。未来通过精密制造和自旋取向调控，可进一步优化性能并拓展至连续波激射器等应用场景。