近期，深圳大學(xué)電子與信息工程學(xué)院副教授汪能與香港科技大學(xué)陳子亭教授團(tuán)隊(duì)、香港城市大學(xué)吳耿波助理教授團(tuán)隊(duì)合作，首次實(shí)現(xiàn)并在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一類被稱為“旋磁雙零折射率介質(zhì)”的全新光學(xué)超材料，揭示了旋磁雙零超材料、拓?fù)湎嘧兣R界點(diǎn)與時(shí)空渦旋光場(chǎng)三者之間的內(nèi)在對(duì)應(yīng)關(guān)系，提出了一種通過該材料超魯棒地產(chǎn)生光學(xué)時(shí)空渦旋的新機(jī)制。相關(guān)研究以“Bulk-spatialtemporal vortex correspondence in gyromagnetic zero-index media”為題，發(fā)表于國(guó)際頂尖期刊Nature。香港科技大學(xué)張若洋博士、崔曉晗博士、香港城市大學(xué)曾元松博士為論文共同第一作者，香港科技大學(xué)教授陳子亭、崔曉晗，香港城市大學(xué)教授吳耿波、以及汪能為論文共同通訊作者，香港科技大學(xué)、香港城市大學(xué)和深圳大學(xué)為通訊單位。

圖1. 傳統(tǒng)雙零折射率超材料與旋磁雙零折射率超材料對(duì)比，及利用旋磁雙零超材料產(chǎn)生時(shí)空光渦旋

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一類獨(dú)特的非互易零折射率介質(zhì)——旋磁雙零折射率超構(gòu)材料，其色散關(guān)系呈現(xiàn)出自旋-1/2 狄拉克錐結(jié)構(gòu)（圖1，d）。在該材料中，介電常數(shù)為零值標(biāo)量，而磁導(dǎo)率則表現(xiàn)為旋磁張量，盡管其所有矩陣元均不為零，但整體行列式為零（圖1，c）。因此，該材料的“雙零折射率”并非指?jìng)鹘y(tǒng)意義上的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為零，而是將“零折射率”概念由零值標(biāo)量推廣為具有零值行列式（或零本征值）的非互易張量。該超材料不僅繼承了傳統(tǒng)雙零折射率材料特有的無條件阻抗匹配特性，還因其非互易性打破了傳統(tǒng)雙零介質(zhì)的互易反射約束，使斜入射時(shí)反射譜呈現(xiàn)左右非對(duì)稱。在雙零特性和非互易特性的“雙重加持”下，此旋磁雙零介質(zhì)板的頻率-動(dòng)量反射譜中總會(huì)在狄拉克點(diǎn)投影位置出現(xiàn)反射時(shí)空渦旋奇點(diǎn)。基于其特殊的自旋-1/2 狄拉克錐能帶結(jié)構(gòu)，以及與光學(xué)奇點(diǎn)的緊密聯(lián)系，他們發(fā)展了一種全新的拓?fù)潴w—散射對(duì)應(yīng)原理，證實(shí)了反射時(shí)空渦旋必然出現(xiàn)于光子拓?fù)湎嘧凕c(diǎn)，其渦旋拓?fù)浜蓴?shù)由相變前后拓?fù)洳蛔兞康淖兓鶝Q定，并在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)并驗(yàn)證了超魯棒時(shí)空光渦旋的生成（圖1，e）。

本研究得到了香港研究資助局和中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的資助。

論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41586-025-08948-6