近期，電子與信息工程學院副教授汪能與香港科技大學陳子亭教授團隊、香港城市大學吳耿波助理教授團隊合作，首次實現并在實驗驗證了一類被稱為“旋磁雙零折射率介質”的全新光學超材料，并揭示了旋磁雙零超材料、拓撲相變臨界點與時空渦旋光場三者之間的內在對應關系，提出了一種通過該材料超魯棒地產生光學時空渦旋的新機制。相關研究以“Bulk-spatialtemporal vortex correspondence in gyromagnetic zero-index media”為題，發表于國際頂尖期刊Nature。香港科技大學博士張若洋、崔曉晗博士，香港城市大學博士曾元松為論文共同第一作者，香港科技大學教授陳子亭、崔曉晗、香港城市大學教授吳耿波、以及汪能為論文共同通訊作者，香港科技大學、香港城市大學和深圳大學為通訊單位。

圖1. 傳統雙零折射率超材料與旋磁雙零折射率超材料對比，及利用旋磁雙零超材料產生時空光渦旋

研究團隊發現了一類獨特的非互易零折射率介質——旋磁雙零折射率超構材料，其色散關系呈現出自旋-1/2 狄拉克錐結構（圖1，d）。在該材料中，介電常數為零值標量，而磁導率則表現為旋磁張量，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”并非指傳統意義上的介電常數和磁導率同時為零，而是將“零折射率”概念由零值標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雙零介質的互易反射約束，使斜入射時反射譜呈現左右非對稱。在雙零特性和非互易特性的“雙重加持”下，此旋磁雙零介質板的頻率-動量反射譜中總會在狄拉克點投影位置出現反射時空渦旋奇點。基于其特殊的自旋-1/2 狄拉克錐能帶結構，以及與光學奇點的緊密聯系，他們發展了一種全新的拓撲體—散射對應原理，證實了反射時空渦旋必然出現于光子拓撲相變點，其渦旋拓撲荷數由相變前后拓撲不變量的變化所決定，并在實驗上觀測并驗證了超魯棒時空光渦旋的生成（圖1，e）。

本研究得到了香港研究資助局和中國國家自然科學基金委員會的資助。

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