旋磁双零超材料中的体-时空涡旋对应

老杨

01导读

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”的新型光学超材料，并揭示了旋磁双零折射率、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，进而提出了通过该材料的内禀拓扑特性超鲁棒产生光学时空涡旋的新机制。

研究成果以“Bulk-spatiotemporal vortex correspondence in gyromagnetic zero-index media”为题，于2025年5月14日发表于《Nature》，并入选“Research Briefing”专栏推荐。英国埃克塞特大学Simon Horsley教授在专栏中评价该工作“对光学、凝聚态、和拓扑学有广泛的意义”，“有望为未来的拓扑物理学研究开辟一个全新的分支”。

02研究背景

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。超材料的发展史正是折射率概念不断突破与拓展的历史。其中零折射率超材料是最典型的代表之一。 2011年，陈子亭团队在零折射概念的基础上实现了“双零折射率超材料”（介电常数和磁导率同时为零）。双零折射率介质可以与任意环境介质实现阻抗匹配，并展现出一系列神奇的光学现象，现已成为超材料领域的一个经典范式体系。

双零折射率介质具有“类狄拉克锥”能带结构。该结构由线性交叉的“狄拉克锥”和一条穿过“狄拉克点”的平带组成（图1b）。然而，双零介质的“类狄拉克锥”具有自旋-1拓扑特性，因此并不是自旋-1/2 狄拉克锥与平带的简单叠加，平带也无法移除。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？

03研究创新点

3.1突破传统零折射概念，实现旋磁双零折射率超材料

该工作通过打破时间反演对称性实现了一类特殊的非互易零折射率介质——旋磁双零折射率超材料，而且其能带结构必然呈现自旋-1/2 狄拉克锥（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。

该研究证明该旋磁双零介质恰好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处。通过设计位于拓扑相变点的二维磁性光子晶体，研究团队成功地实验实现了这种旋磁双零折射率超材料（图2）。

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

图2. 实验实现旋磁双零折射率超材料

3.2双零特性与非互易性叠加，展现奇特反射效应

该超材料融合了传统双零折射率材料的无条件阻抗匹配特性与磁性材料的非互易性，突破了互易性对反射的约束，使频率—动量中的反射谱呈现左右不对称性，并在狄拉克点投影处形成反射时空涡旋奇点（图3d,e）。此反射涡旋始终"钉扎"在狄拉克点上，而几乎不受材料厚度、背景介质参数及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

3.3理论揭示拓扑体—时空涡旋对应原理

研究进一步揭示这种“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拓扑体—边对应关系。

3.4超鲁棒实验生成时空光涡旋

基于上述体—散射对应原理，研究发现：垂直入射的高斯脉冲经旋磁双零介质平板反射后，必然产生携带时空光涡旋的反射脉冲，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。研究团队利用微波实时场扫描系统，成功地实验证实了这一时空涡旋脉冲的超鲁棒产生过程（图4）。

图4. 时空光涡旋的生成和观测

04总结与展望

该研究以旋磁双零超材料为桥梁，揭示了 (1) 零折射率光子学、(2) 光学拓扑物态、(3) 时空结构光场三个光学前沿领域的深层关联，有望启发基于极端参数光学超材料的内禀拓扑物质奇点产生和操控时空拓扑光场的新物理机制和技术路线。

香港科技大学张若洋博士（现为南京大学助理教授）、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。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08948-6