转自：中国科学报

5月14日，《自然》在线刊发了香港科技大学教授陈子亭团队同合作者最新成果。他们首次实现了一类称之为“旋磁双零折射率介质”的全新光学超材料，并利用该材料位于拓扑相变临界点的特性，提出利用该材料超鲁棒产生光学时空涡旋的新机制。

“该研究以旋磁双零超材料为桥梁，揭示了光学超材料、拓扑物质、时空结构光场三个前沿研究领域间的内在深刻联系，预示着利用极端参数人工超材料操控时空拓扑光场的新研究方向。”论文共同通讯作者陈子亭对《中国科学报》表示。

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《自然》杂志审稿人评价称：“这项工作对光学、凝聚态物质和拓扑领域有广泛的意义”，并且“有望推动拓扑光子学和超材料领域的发展，特别是在波操控和光涡旋产生的应用方面”。

从理论概念到实验验证

超材料是一类由人工微结构单元周期性排列构成的复合材料，其宏观光学性质并非由化学组分决定，而是主要取决于微结构的几何形状、尺寸和排布方式。这一特性使得超材料能够展现出许多自然材料所不具备的奇异物理性质。

自2000年英国科学家约翰·潘德利提出利用超材料实现负折射率现象以来，超材料领域不断突破经典电磁学边界，其中“零折射率”现象尤为引人注目——当材料折射率为零时，光波在介质中传播的相位延迟消失，空间被光学意义上“压缩”为点。

2011年，陈子亭团队首次提出并实验验证“双零折射率超材料”，其介电常数与磁导率同时为零，可实现完美隧穿、电磁隐身等效应，成为超材料领域的经典范式。然而，传统双零材料存在一个未解难题：其能带结构中存在一条无法消除的“水平平带”，虽不参与光波传输，却限制了材料性能的进一步优化。

2019年，陈子亭团队汪能（前成员）与张若洋开始探索平带成因。他们发现，平带与电磁互易性密切相关，若要实现无平带的“狄拉克锥”能带结构，需打破互易性。通过引入非互易旋磁效应，团队构建了一种磁导率张量行列式为零的旋磁介质模型，首次将零折射率概念从标量推广至矩阵形式。

陈子亭表示：“材料的电磁参数通常不是简单的标量而应该是更广义的张量矩阵形式，所以自2011年的工作后，我们就一直在探索应该如何把零折射的概念再一次从零值标量推广为高维的‘零折射率’矩阵，以及这种拓展可能呈现的独特光学性质。”

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“这一突破源于对平带现象的好奇。”论文共同第一作者、香港科技大学研究助理教授张若洋表示，“我们花了近4年时间，从理论模型到实验验证，最终证明了旋磁双零超材料的可行性。

从边界效应到时空维度

实现旋磁双零超材料的核心挑战在于，其零折射率张量仅存在于光学结构的拓扑相变临界点。为精确定位这一临界点，研究团队设计了微波频段的可调谐超材料结构，并通过连续观测能带随晶格长度的变化，成功实现了材料参数的精确控制。

“这是我首次开展微波实验。”论文共同第一作者兼共同通讯作者、香港科技大学博士崔晓晗回忆道，“尽管面临诸多技术难题，但通过团队协作，我们最终在2023年初观测到‘钉扎’在狄拉克点的涡旋反射光谱。”这一现象表明，旋磁双零超材料能够产生独特的拓扑光场结构——光学时空涡旋。

然而，验证这一机制需观测时空光涡旋，而团队缺乏相关实验条件。2023年，香港城市大学教授吴耿波团队提供了关键支持。双方合作设计了一套皮秒级精度的瞬时微波探测系统，首次在微波频段生成并观测到时空光涡旋，证实了基于旋磁零折射率超材料的全新物理机制。

至此，关于旋磁双零超材料的故事似乎已经完整，然而研究团队后来才发现这只是一个更为激动人心理论的序章。

“我们在观察到涡旋光谱锁定在材料的狄拉克点后，隐约觉得其背后有更深层的物理机制。但直到2024年2月，我们才最终意识到时空光涡旋的产生本质上源于材料的拓扑相变过程，而时空涡旋的‘涡旋环绕数’则由拓扑相变前后材料的拓扑数跳变决定。”张若洋表示。

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这一发现将拓扑物理学的“体-边对应关系”推广至光学远场和时间维度，建立了材料内禀拓扑性质与时空散射效应的对应关系。“证明的过程虽然漫长，但最终的发现让一切等待都变得值得。”张若洋补充到。

“在电子材料中，拓扑效应仅出现在材料表面；而光子可自由辐射至外部空间，因此拓扑特性可延伸至材料之外。”陈子亭表示，“这一思想突破使我们能够以前所未有的方式操控量子和经典光场。”

从基础研究到技术革命

体-边对应关系是拓扑物理学中最重要的原理之一，其表征拓扑材料体内的内禀拓扑特征（如量子化的拓扑数）决定了拓扑材料边界上的奇特量子化输运效应，例如只能在边界上传输的单向电流。然而，研究团体的新发现将这一基本原理所预言的拓扑边界效应推广到了光学远场和时间维度。

在超材料领域，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。研究中提出的“张量型零折射率”概念可以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。

“旋磁双零折射率超材料提供了一种生成时空光涡旋的新机制。该机制依赖于材料的内禀性质，无需借助空间光调制器等常规光学器件，因而具有极强的鲁棒性，有望应用于高分辨率、低损耗微波成像领域。”论文共同第一作者曾元松表示。

研究团队计划将旋磁双零超材料拓展至太赫兹和光波频段，探索其在非线性和量子光学中的应用。此外，团队还将深入研究光子材料的动量空间拓扑结构，以期在时空拓扑光学奇点和光场准粒子操控领域取得突破。

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从2011年双零折射率超材料的提出，到2023年旋磁双零超材料的实验验证，陈子亭团队历时10余年，完成了从理论到应用的闭环。这一成果不仅推动了超材料与拓扑物理的交叉融合，更为光学操控技术开辟了新方向。

在《自然》杂志对该工作的“研究简报”中，《自然》编辑评价称：该研究“揭示了材料光学特性与光的拓扑属性之间的内在关联，为时空光场结构的构建提供了新方法，例如形成时空涡旋。”

论文共同通讯作者、深圳大学副教授汪能表示：“这项工作为超材料领域带来了新的理论视角和活力。超材料不仅是应用平台，其深层数学物理原理的探索同样具有广泛价值。我们相信，对基础数理问题的深入研究将突破现有开发瓶颈，带来颠覆性创新。”

论文共同通讯作者吴耿波表示：“新材料有望显著提升微波通信系统的性能，推动拓扑光子学从理论走向实用。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08948-6