Reflect magnetic control of NV center’s ground-state energy structure through quantum phase transitions in a three-level system

物理 塞曼效应 量子相变 量子 级联 塞曼能源 相图 量子相 解耦(概率) 量子临界点 相(物质) 凝聚态物理 多临界点 激发 动态解耦 相变 量子力学 临界点(数学) 磁场 量子涨落 联轴节(管道) 统计物理学 量子系统 临界指数
作者
Hao Jiang,Zeyun Shi,Yao Ou,Fazal Badshah,Xiao Zhou,Ya-Wen Li,Dong Yan Lü,Kai Chen,Cheng Chen,Yuan Zhou
出处
期刊:Physica Scripta [IOP Publishing]
卷期号:101 (11): 115108-115108 被引量:4
标识
DOI:10.1088/1402-4896/ae4e6a
摘要

Abstract We theoretically investigate the quantum phase transitions of a hybrid quantum system consisting of an ensemble of nitrogen-vacancy (NV) centers coupled to two microwave cavity resonators. By leveraging the Zeeman effect with a static magnetic field, we achieve a tunable switch between different three-level Dicke model configurations. We map out the global ground-state phase diagram and identify three distinct operating regimes: (i) a V type regime characterized by the competition between two superradiant phases, (ii) an effective two-level regime emerging near the level-crossing point due to channel decoupling and (iii) a cascade Ξ type regime induced by level inversion. Particularly in the cascade regime, we analyze a mechanism of ‘sequential phase transition’, where the onset of the second superradiant phase is strictly contingent upon the condensation of the first channel. This mechanism leads to a nested structure in the phase diagram, which is fundamentally distinct from the phase competition observed in V type systems. Furthermore, by calculating the excitation spectra, we observe the emergence of soft modes at continuous critical points, establishing the second-order quantum nature of the relevant transitions. Our proposal provides a feasible solid-state platform for simulating multicritical phenomena and realizing controllable light–matter interactions.

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