由香港科技大學(xué)（HKUST）主導(dǎo)的研究團隊采用新型光學(xué)極端參數(shù)材料——旋磁雙零折射率超材料（GDZIM），開發(fā)出基于該材料的光操控新方法。這項突破有望徹底革新光通信、生物醫(yī)學(xué)成像與納米技術(shù)領(lǐng)域，推動集成光子芯片、高保真光通信及量子光源的發(fā)展。

該研究成果以《Bulk–spatiotemporal vortex correspondence in gyromagnetic zero-index media》為題發(fā)表于《自然》期刊上，本研究由香港科技大學(xué)物理學(xué)系教授陳子亭，與物理學(xué)系訪問學(xué)者張若洋博士共同領(lǐng)導(dǎo)。

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旋磁與常規(guī)雙零折射率超材料的特性對比，(a-d) 常規(guī)雙零折射率超材料與旋磁雙零折射率超材料（GDZIMs）的性能比較；(e) GDZIMs生成時空光渦旋的示意圖。

解鎖GDZIM與光學(xué)渦旋的潛能

GDZIM作為特殊光學(xué)超材料，其特性精準處于兩種不同光子拓撲相變的臨界點，能實現(xiàn)傳統(tǒng)材料無法完成的光操控。與傳統(tǒng)材料不同，GDZIM同時具備零介電常數(shù)特性與獨特磁光效應(yīng)，可穩(wěn)定產(chǎn)生時空光渦旋——即在空間和時間維度上同步旋轉(zhuǎn)的光場模式。這種特性使其在光傳播控制方面具有卓越效能，對眾多前沿技術(shù)至關(guān)重要。

該材料不僅能制備小型集成光子芯片（通過最小化干擾提升通信質(zhì)量），還可為尖端技術(shù)開發(fā)新型手性選擇性光源。其獨特的光渦旋生成機制更為長距離、大容量空間光學(xué)信息傳輸提供了創(chuàng)新方案，有望同時提升光網(wǎng)絡(luò)通信的速度與安全性。

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時空渦旋的產(chǎn)生與觀測（a）時序切片光場分布展示時空光渦旋演化；（b）時空渦旋生成與探測實驗裝置示意圖；（c）實驗測量與數(shù)值模擬的時空光渦旋對比圖。

研究團隊通過構(gòu)建磁性光子晶體并將參數(shù)調(diào)諧至臨界相變點，首次實現(xiàn)該超材料。借助微波實時場掃描系統(tǒng)，他們進一步證實：當光脈沖撞擊GDZIM平板時，反射波會形成時空渦旋——這種特殊光波包在時空維度同步旋轉(zhuǎn)，且攜帶橫向軌道角動量。

研究表明，光渦旋的產(chǎn)生源于GDZIM的本征拓撲特性，因此無論材料尺寸或環(huán)境如何變化均能保持超常穩(wěn)定性。此項突破將顯著推進光學(xué)技術(shù)發(fā)展，例如構(gòu)建更快速、更安全的通信系統(tǒng)。

陳子亭教授闡釋："本研究架起了超材料、拓撲物理與結(jié)構(gòu)光場三大物理領(lǐng)域的橋梁，基于超材料的非平庸拓撲特性建立了時空光場操控的全新理論框架。這些發(fā)現(xiàn)為高精度光學(xué)器件開辟了廣闊的應(yīng)用前景。"

張若洋博士補充："光渦旋的卓越穩(wěn)定性為開發(fā)變革性技術(shù)奠定了堅實基礎(chǔ)，未來將深刻影響通信與高性能光路等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。"

相關(guān)鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41586-025-08948-6