近日，中心与合作单位在金刚石氮-空位（NV）色心超快动力学领域取得突破性进展，相关研究成果以“Ultrafast laser induces macroscopic symmetry-breaking of diamond color centers”为题，于5月12日在线发表于国际学术期刊《自然·通讯》Nat. Commun. 17, 6339 (2026) 。
NV色心作为最具潜力的固态量子平台之一，其超快动力学行为对量子传感、量子计算等应用至关重要，但由于涉及强关联的电子-晶格-自旋多体耦合，该过程的原子尺度实时观测与模拟极具挑战。本研究通过大规模实时含时密度泛函理论计算，首次在原子尺度完整揭示了飞秒激光诱导NV色心对称性破缺的全链条物理图像：激光激发后100飞秒内，少数自旋电子发生重新分布，建立起具有C₃ᵥ对称性破缺的电荷序；随后，激发态势能面上的离子运动同时诱发碳-氮键的对称振荡与动态的Jahn-Teller畸变；最终，这些局域畸变转化为金刚石晶格中非局域的相干声子，并以声速（约2 Å/fs）向外传播。
图 1 NV⁻中心的激光诱导整体动力学过程：(1) 电子受激激发，(2) 诱导NV⁻中心附近局域振动模式（LVM）振动，继而(3) 通过声子传播激发非局域相干声子（NLCP）模式。b 图a所述过程对应的超快时间尺度。
图 2a 平均键长随时间的变化关系。b键长d的动态势能面（PES）演化。c 键长差δd_y和δd_x随时间的变化。d键长差δd_x的动态势能面演化。
图 3a NV⁻中心周围不同壳层中碳原子及声子输运示意图。b不同壳层中碳原子的位移d(t)随时间变化曲线。c不同终止时间tf（35、100和400 fs）下，碳原子最大位移振幅随距空位距离的变化。d碳原子平均最大位移随tf的变化关系。
该研究不仅实现了从NV色心局域激发、类似分子体系的局域振动，到凝聚态物理范式下的声子扩散的跨尺度完整模拟，清晰展现了量子缺陷动力学中“局域到扩展”的新物理机遇，更突破了传统计算方法的瓶颈，攻克了包含强自旋轨道耦合的百飞秒级大尺度非共线磁性体系的高效稳定模拟难题，为理解固体量子缺陷的超快非平衡过程提供了全新的理论视角和计算范式。
北京卫星环境工程研究所高扬博士为论文第一作者，中心廉超副研究员为唯一通讯作者。廉超副研究员全面负责此研究项目，包括提出研究构想和全程指导参与项目实施，本研究获得了国家重点研发计划（2024YFA1408603）及中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划(YSBR-120)的经费支持。