香港科技大学（科大）研究团队利用一种名为「旋磁双零折射率超材料」（GDZIMs）的全新光学极端参数超材料，研发出一种基于GDZIMs的崭新光波操控机制，有望革新光通信、光学成像（用于生物医学）和纳米技术等领域，推动集成光子芯片、高保真光通信及新型量子光源的发展。这项研究由科大赛马会高等研究院临时院长兼物理系讲座教授陈子亭教授，以及物理系访问学者张若洋博士共同领导，并已发表于《自然》期刊。
GDZIMs与光学涡旋的潜力
GDZIMs是一种独特的光学超材料，其特性恰好位于两种不同光子拓扑相变的临界点，能以突破传统认知的方式操控光波。GDZIMs与传统材料有所不同，它同时具有零电容率和特殊的磁光特性，可稳定地生成时空光学涡旋——一种同时在时间和空间维度同步旋转的光场模式，使其在光传播控制方面具有卓越效能，对众多先进技术的应用发挥至关重要的作用。
研究人员通过构建磁性光子晶体并将其参数调节至相变临界点，首次实现了这种超材料，利用微波实时场扫描系统，他们进一步证实，当光脉冲撞击GDZIM平板时，会反射形成时空涡旋 – 这是一种在时空维度同时呈现涡旋结构、携带横向轨道角动量的特殊光波包。研究揭示这种涡旋光的产生源于GDZIMs的内禀拓扑特性，因此涡旋光的产生不会受到系统尺寸或周围环境的影响，呈现出极强的稳定性。此一重大突破有望提升光学技术性能，以助构建更快速和更安全的光通信系统。
陈教授表示：「这项研究连通了超材料、拓扑物理学和结构光场三个重要物理学，基于超材料拓扑特性，确立了就时空光场操控机制的全新概念。研究成果有望推动超高精度和高效率光学器件的设计，同时开辟广阔的应用前景，我们对其潜力的探索目前仅初现端倪。」
张博士补充道：「这种生成时空涡旋机制的拓扑稳定性确实令人瞩目，为开发新型超材料和光操控技术提供了一个有力的平台，对转化为通讯和高性能光子电路等领域的工业级应用奠定了坚实基础。」
跨区域合作推动光学技术变革
GDZIMs在不同领域蕴含广泛的应用前景，既能助力开发小型集成光子芯片以通过抑制通信干扰而提升通信质量，还可以催生开发尖端技术的新型手性选择性光源。此外，GDZIMs产生光涡旋的独特机制为远距离、大容量空间光信息传输提供了新路径，有望同时提升光网络通信的速度和安全性。
这项名为「旋磁零折射率介质中的体时空涡旋对应关系」的研究，是与香港城市大学、深圳大学、复旦大学、武汉大学、英国南安普敦大学的研究人员合作完成。
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