• 解决的问题：传统零折射率超材料（DZIMs）局限于标量参数和互易性，无法实现非互易调控及动态光场操纵。同时，现有光时空涡旋（STVP）生成方法依赖外部调制器件，稳定性与普适性不足。如何突破互易性限制，实现基于材料本征特性的鲁棒性时空涡旋生成，是光拓扑与超材料领域的关键挑战。

• 提出的方法：通过设计磁光双零折射率超材料（GDZIMs），将传统 DZIMs的标量零参数拓展为非互易张量参数，使其在自旋-1/2 狄拉克点处实现拓扑相变。利用磁光效应打破时间反演对称性，构建与拓扑不变量关联的反射相位涡旋，进而通过拓扑相变点的本征特性，实现光时空涡旋的鲁棒生成，无需依赖外部结构调制。

• 实现的效果：实验验证了 GDZIMs 在狄拉克点处的完美透射与非互易反射特性，观测到拓扑保护的反射相位涡旋。该涡旋电荷由拓扑陈数跃变决定，可稳定生成中心频率与动量固定的光时空涡旋脉冲（STVP）。即使改变超材料厚度、背景介质或切割方向，STVP 的核心参数仍保持不变，展现出极强的环境鲁棒性。

• 创新点：建立 “体-时空涡旋对应关系”，将拓扑相变与时空涡旋直接关联，突破传统体 - 边界对应理论的静态局限。通过磁光张量参数设计，实现非互易零折射率超材料，为光场调控引入自旋 - 1/2 狄拉克点新维度。该方法无需复杂外部器件，仅通过材料本征拓扑特性生成鲁棒 STVP，为动态光场操控提供全新范式。

• 研究成果以题为 “Bulk–spatiotemporal vortex correspondence in gyromagnetic zero-index media” 发表于《Nature》上。香港科技大学Ruo-Yang Zhang、Xiaohan Cui、香港城市大学Yuan-Song Zeng为论文共同第一作者，香港科技大学Xiaohan Cui、C. T. Chan、深圳大学Neng Wang及香港城市大学Geng-Bo Wu为论文共同通讯作者。

• 摘要：光子双零折射率介质（同时具有零介电常数和磁导率）展现出自然界罕见的特性。通过将本构参数从标量拓展为行列式为零的非互易张量，零折射率概念可进一步扩展。本文实验实现了一类磁光双零折射率超材料（GDZIMs），其兼具双零特性与非互易特征，并在自旋-1/2 狄拉克点处呈现拓扑相变。我们发现时空反射涡旋奇点始终锚定于该狄拉克点，涡旋电荷由拓扑不变量跃变决定，建立了独特的 “体-时空涡旋对应关系”，将保护边界效应拓展至时域。基于此，我们提出并实验验证了一种确定性生成光学时空涡旋脉冲的机制，其中心频率与动量严格固定，展现超强鲁棒性。研究揭示了零折射率光子学、拓扑光子学与奇点光学的关联，为利用极端参数超材料操控时空拓扑光场提供了新路径。

• 结论：通过构建处于光子陈绝缘体拓扑相变点的超材料，我们实验实现了GDZIMs，拓展了传统DZIMs的非互易调控能力。其非互易特性源于动量空间中心的自旋-1/2狄拉克点，导致时空反射涡旋谱锚定于狄拉克点投影。建立的新型体-边界对应关系表明，反射相位涡旋由拓扑不变量跃变决定，为鲁棒生成STVP提供了本征路径。GDZIMs的实现不仅为单向零折射率波导、可扩展单模手性激光器等功能器件奠定基础，还架起零折射率光子学、拓扑光子学与奇点光学的桥梁，揭示跨学科研究的新方向。

图1：磁光与普通 DZIMs 特性对比。

图2：GDZIM 的实验实现。

图3：超鲁棒反射相位涡旋及其拓扑起源。

图4：STVP 的生成与观测。