微波腔中超辐射自旋系综的相干拉比动力学

我们实现了高富集 $^{28}$Si 晶体中磷施主自旋系综与三维介质谐振腔之间的强耦合区。利用无声子束缚激子跃迁的自旋选择性光激发，将自旋极化至玻尔兹曼平衡之外，从而在系综中产生 $N$ = $3.6\cdot10^{13}$ 个未配对自旋。我们在品质因子为 75,000 的腔中观察到自旋系综-腔极化激元共振的正常模分裂为 2$g\sqrt{N}$ = 580 kHz（其中每个自旋以强度 $g$ 耦合），($\gamma \ll \kappa \approx$ 60 kHz，其中 $\gamma$ 和 $\kappa$ 分别为自旋退相位率和腔损耗率)。该自旋系综具有长的退相位时间（T$_2^*$ = 9 $\mu$s），为观测耦合自旋系综-腔系统的动力学提供了宽窗口。自由感应衰减显示出多达十几次的崩塌与复苏，揭示了自旋系综的超辐射态与腔之间以 $g\sqrt{N}$ 的速率进行相干激发交换。由于极小的不均匀展宽和均匀的自旋-腔耦合，该系综被发现根据 Tavis-Cummings 模型作为单个大赝自旋演化。我们展示了分别利用光激发和微波操控对总自旋和赝自旋的初始 Z 投影进行独立控制。我们改变微波激发功率以在 Bloch 球上旋转赝自旋，并观察到随着赝自旋接近完全反转，超辐射发射起始出现长延迟。该延迟伴随着赝自旋微波发射中突发的 $\pi$ 相位移动。该延迟随初始角度的标度行为以及突然的相位移动可由 Tavis-Cummings 模型解释。