光学涡旋是一种具有螺旋波前相位结构的光场，其携带轨道角动量，可显著提升光通信的信息容量与安全性。传统产生方法依赖体块晶体或复杂纳米加工，存在成本高、体积大、集成难等瓶颈。范德华（vdW）材料具有层状结构及强双折射特性，为低成本、小型化光学涡旋生成提供了新可能。
韩国汉阳大学（Hanyang University）和澳大利亚墨尔本大学（University of Melbourne）等机构的联合研究团队开发了一种基于范德华材料（六方氮化硼hBN和二硫化钼MoS₂）的光学涡旋生成新方法。该方法利用材料天然双折射特性，将圆偏振光直接转换为携带轨道角动量的光学涡旋光束，无需纳米加工。实验表明，即使材料厚度低至320纳米（MoS₂），仍能高效生成清晰涡旋光束，能量转换效率近50%。该技术为紧凑型、低成本光学通信器件（如卫星高速数据传输系统）的开发奠定了基础，研究成果发表于《光：科学与应用》。
“令人惊叹的是，自旋之间看似混乱的相互作用实际上为辐射提供了能量，”该研究第一作者温泽尔·克斯特恩博士解释道。“该系统通过自我组织，竟从通常会破坏信号的无序状态中，产生了高度相干的微波信号。”
来自维也纳科技大学（TU Wien）与冲绳科学技术大学院大学（OIST）的研究团队首次实现了自诱导超辐射微波发射——这种无需外部驱动的自发性、长寿命微波爆发现象。
这项发现为生成高度稳定且精确的微波信号提供了新方法，为从医学到导航及量子通信等众多重要领域的技术进步铺平了道路。
“这项发现改变了我们对量子世界的认知，”冲绳科学技术大学院大学量子技术中心主任根本佳惠教授表示，“我们证明了那些曾被认为会破坏量子行为的相互作用，反而能被利用来创造量子效应。这种认知转变为量子技术开辟了全新的发展方向。”
集体行为驱动强脉冲
为探究自旋系统的集体行为，研究人员将钻石中密集的氮空位（NV）中心——微小的原子缺陷——与微波腔耦合。每个NV中心都承载着可在量子态间翻转的电子自旋，如同微型磁体。
“我们观测到了预期的初始超辐射爆发——但随后出现了一系列意外的窄带长寿命微波脉冲序列，”该研究合著者、冲绳科学技术大学院大学量子工程与设计部门负责人威廉·芒罗教授解释道。
通过大规模计算模拟，团队揭示了脉冲的成因：自诱导自旋相互作用动态重构能级，无需外部泵浦即可维持持续辐射。“本质上，该系统实现了自我驱动，”芒罗教授补充道，“这些自旋-自旋相互作用不断触发新跃迁，揭示了一种全新的集体量子行为模式。”
新一代量子技术
这项发现不仅揭示了新的量子物理现象，更指向实际应用前景。稳定的自维持微波辐射可成为超精密时钟、通信链路和导航系统的基础——这些技术支撑着现代生活的方方面面，从GPS和电信到雷达及卫星网络。
维也纳科技大学量子科学与技术中心教授约尔格·施密德迈尔指出：“我们在此观察到的原理还能增强量子传感器的性能，使其能够探测磁场或电场的微小变化。”
“这些进展将惠及医学成像、材料科学和环境监测领域。更广泛而言，这项工作表明，对量子行为的深刻理解如何转化为塑造下一代科学与工业创新的新工具和新技术。”
