近期，电子与信息工程学院副教授汪能与香港科技大学陈子亭教授团队、香港城市大学吴耿波助理教授团队合作，首次实现并在实验验证了一类被称为“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。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。香港科技大学博士张若洋、崔晓晗博士，香港城市大学博士曾元松为论文共同第一作者，香港科技大学教授陈子亭、崔晓晗、香港城市大学教授吴耿波、以及汪能为论文共同通讯作者，香港科技大学、香港城市大学和深圳大学为通讯单位。

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

研究团队发现了一类独特的非互易零折射率介质——旋磁双零折射率超构材料，其色散关系呈现出自旋-1/2 狄拉克锥结构（图1，d）。在该材料中，介电常数为零值标量，而磁导率则表现为旋磁张量，尽管其所有矩阵元均不为零，但整体行列式为零（图1，c）。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。基于其特殊的自旋-1/2 狄拉克锥能带结构，以及与光学奇点的紧密联系，他们发展了一种全新的拓扑体—散射对应原理，证实了反射时空涡旋必然出现于光子拓扑相变点，其涡旋拓扑荷数由相变前后拓扑不变量的变化所决定，并在实验上观测并验证了超鲁棒时空光涡旋的生成（图1，e）。

本研究得到了香港研究资助局和中国国家自然科学基金委员会的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08948-6