近日，香港科技大学物理系陈子亭教授团队联合香港城市大学电机工程系吴耿波助理教授团队、深圳大学汪能副教授等合作者，首次实验实现了一类称为“旋磁双零折射率介质”的全新光学超材料，并揭示了旋磁双零超材料、拓扑相变临界点与时空涡旋光场三者之间的内在对应关系，提出了一种通过该材料超鲁棒地产生光学时空涡旋的新机制。这一突破性成果以旋磁双零超材料为桥梁，贯通了三大前沿研究领域：(1) 零折射率光子学，(2) 物质拓扑相，(3) 时空结构光场，预示着全新的跨领域研究方向。
相关研究以“Bulk-spatialtemporal vortex correspondence in gyromagnetic zero-index media”为题，发表于国际顶尖期刊《Nature》。香港科技大学张若洋博士、崔晓晗博士、香港城市大学曾元松博士为论文共同第一作者，香港科技大学陈子亭教授、崔晓晗博士、香港城市大学吴耿波教授、深圳大学汪能教授为论文共同通讯作者。此外，香港城市大学陈锦博士、复旦大学刘文哲研究员、武汉大学王暮迪教授、南安普敦大学王东阳博士、香港科技大学张昭庆教授亦为本工作做出了重要贡献。
折射率是刻画光与物质相互作用的核心物理量，其概念演进推动着光学的革新与发展。超材料通过人工复合结构对电磁波进行操控，可以实现传统自然材料所不具备的光学特性，其发展史正是折射率概念不断突破与拓展的历史。这其中就包括了负折射率超材料（标志超材料学科的诞生），以及今天的主角——零折射率超材料。零折射率超材料的核心特征在于，光在其中传播时不会发生相位延迟，仿佛空间在光学意义上被“无限压缩”。在零折射率超材料家族中，双零折射率超材料尤为引人瞩目，即介电常数和磁导率同时趋近于零。这一“双零”特性使其可以与任意环境介质实现阻抗匹配，进而展现出众多超越“单零介质”的非凡光学效应。同时，双零折射率材料具有独特的类狄拉克锥能带结构，这一特质表明双零材料不仅是具有极端光学参数的功能材料，而且是一种天然的拓扑光学材料。
双零折射率介质的类狄拉克锥由一对线性交叉的“狄拉克锥”能带和一条穿过“狄拉克点”的平带构成（图1b）。在早期研究中，类狄拉克锥中的平带被认为是与“狄拉克锥拓扑”无关的光子晶体附带效应。然而，后续的深入研究表明，双零介质类狄拉克锥中的平带是无法移除的，其根源在于类狄拉克锥能带结构具有自旋-1拓扑，因此不能看做是自旋-1/2 狄拉克锥与平带的简单叠加。由此自然产生了两个关键科学问题：
什么样的光学介质具有位于动量空间中心的孤立自旋-1/2 狄拉克锥能带结构？
如果存在这样的光学介质，它又将展现出哪些超越传统双零折射率材料的光学特性？
本项研究正是对这两个问题的回答。
图1. 传统双零折射率超材料与旋磁双零折射率超材料对比，及利用旋磁双零超材料产生时空光涡旋
1.突破传统零折射概念：实现旋磁双零折射率超材料
针对上述问题，我们发现自旋-1/2 狄拉克锥哈密顿量不能与任何波色型时间反演算符对易，因此若要在动量空间中心实现自旋-1/2 狄拉克锥，就必然需要打破时间反演对称性。基于这一关键启示，我们发现了一类特殊的非互易零折射率介质——旋磁双零折射率超构材料，其色散关系恰好呈现自旋-1/2 狄拉克锥结构（图1d）。这类材料的介电常数仍为零值标量，但是磁导率则是一个旋磁张量，尽管其所有矩阵元均不为零但整体行列式为零（图1c）。因此，该材料的“双零折射率”并非指传统意义上的介电常数和磁导率同时为零，而是将“零折射率”概念由零值标量推广为具有零值行列式（或零本征值）的非互易张量。
因其特殊的自旋-1/2 狄拉克锥能带结构，我们发现这种旋磁双零介质必然出现在光子拓扑陈绝缘体相和平庸绝缘体相的相变临界点上，因此该介质的存在与拓扑光子学紧密相连！受到这一启发，我们设计了满足特定对称性和模式要求的二维磁性光子晶体，通过调节光子晶体的晶格周期达到拓扑相变点，成功地在实验中实现了这种旋磁双零折射率超材料（图2）。
图2. 实验实现旋磁双零折射率超材料
2.双零特性与非互易性叠加：展现奇特反射效应
该超材料不仅继承了传统双零折射率材料特有的无条件阻抗匹配特性，还因其非互易性打破了传统双零介质的互易反射约束，使斜入射时反射谱呈现左右非对称。在双零特性和非互易特性的“双重加持”下，此旋磁双零介质板的频率-动量反射谱中总会在狄拉克点投影位置出现反射时空涡旋奇点（图3d,e）。我们发现，这一反射涡旋会始终“钉扎”在狄拉克点上，而几乎不受材料厚度、背景介质参数、甚至超材料晶面截断方向的影响，呈现出“超鲁棒性”。
图3. 超鲁棒反射涡旋和拓扑体—时空涡旋对应原理
3.理论揭示：拓扑体—时空涡旋对应原理
进一步我们揭示，这种“超鲁棒性”源于一种全新的拓扑体—散射对应原理。该原理指出：对于均匀光学介质，反射时空涡旋必然出现于光子拓扑相变点，其涡旋拓扑荷由相变前后拓扑不变量的变化所决定（图3f）。该原理关注拓扑相变过程而非单一拓扑相，并且将拓扑保护边界效应推广到远场和时域，因此不同于任何已知的体—边对应关系。
4.实验观测：超鲁棒生成时空光涡旋
基于上述体—散射对应原理，我们发现：当高斯波包脉冲垂直入射到旋磁双零介质平板时，其反射脉冲必然携带时空光涡旋，而时空涡旋的中心频率和动量被锁定在体能带狄拉克点处。利用微波实时场扫描系统，我们成功地在实验中观测并验证了这种涡旋脉冲的产生过程（图4），为利用极端参数超构材料产生和操控时空拓扑光场提供了全新的物理机制。
图4. 时空光涡旋的生成和观测
旋磁双零折射超材料的发现揭示了零折射率光子学、物质的拓扑相、时空结构光场，三大独立研究领域的深刻内在联系，为各领域带来新的研究机遇和交叉创新空间：
在零折射率光子学领域，旋磁双零超材料为光波操控提供了崭新的思路，有望催生单向零折射率波导、大面积单模手性激光器等新型高性能光学器件。而“张量型零折射率”概念也可进一步推广到具有任意个数零本征值的双各向异性本构张量，预示着一大类丰富多样的极端参数超构材料等待被发掘。
在拓扑物理与结构光场的交叉前沿，体—时空涡旋对应关系的发现开启了一类全新的“体-时空散射对应理论”，预示着不同对称性保护的拓扑相变点与时域散射效应之间，存在广泛而有趣的拓扑联系。反过来，利用这些新对应关系，光子材料中丰富的动量空间拓扑结构有望为产生和操控各种新奇时空拓扑光学奇点和光场准粒子开辟新途径。
总而言之，我们的工作不仅深化了对光与物质相互作用基本原理的理解，也为未来光子技术的创新提供了新的思路和工具。我们期待这项研究能激发更多跨学科的火花，共同探索光学的无限可能！
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08948-6
