近期，我院汪能副教授與香港科技大學(xué)陳子亭教授團(tuán)隊、香港城市大學(xué)吳耿波助理教授團(tuán)隊合作，首次實現(xiàn)并在實驗驗證了一類被稱為“旋磁雙零折射率介質(zhì)”的全新光學(xué)超材料，并揭示了旋磁雙零超材料、拓?fù)湎嘧兣R界點(diǎn)與時空渦旋光場三者之間的內(nèi)在對應(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)陳子亭教授、崔曉晗博士、香港城市大學(xué)吳耿波教授、以及我院汪能副教授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比，及利用旋磁雙零超材料產(chǎn)生時空光渦旋
研究團(tuán)隊發(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”并非指傳統(tǒng)意義上的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為零，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，使斜入射時反射譜呈現(xiàn)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(zhì)板的頻率-動量反射譜中總會在狄拉克點(diǎn)投影位置出現(xiàn)反射時空渦旋奇點(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—散射對應(yīng)原理，證實了反射時空渦旋必然出現(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(xué)基金委員會的資助。
論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41586-025-08948-6
