香港科技大學（科大）研究團隊利用一種名為「旋磁雙零折射率超材料」（GDZIMs）的全新光學極端參數超材料，研發出一種基於GDZIMs的嶄新光波操控機制，有望革新光通信、光學成像（用於生物醫學）和納米技術等領域，推動集成光子芯片、高保真光通信及新型量子光源的發展。這項研究由科大賽馬會高等研究院臨時院長兼物理系講座教授陳子亭教授，以及物理系訪問學者張若洋博士共同領導，並已發表於《自然》期刊。
GDZIMs與光學渦旋的潛力
GDZIMs是一種獨特的光學超材料，其特性恰好位於兩種不同光子拓撲相變的臨界點，能以突破傳統認知的方式操控光波。GDZIMs與傳統材料有所不同，它同時具有零電容率和特殊的磁光特性，可穩定地生成時空光學渦旋——一種同時在時間和空間維度同步旋轉的光場模式，使其在光傳播控制方面具有卓越效能，對眾多先進技術的應用發揮至關重要的作用。
研究人員通過構建磁性光子晶體並將其參數調節至相變臨界點，首次實現了這種超材料，利用微波實時場掃描系統，他們進一步證實，當光脈衝撞擊GDZIM平板時，會反射形成時空渦旋 – 這是一種在時空維度同時呈現渦旋結構、攜帶橫向軌道角動量的特殊光波包。研究揭示這種渦旋光的產生源於GDZIMs的內稟拓撲特性，因此渦旋光的產生不會受到系統尺寸或周圍環境的影響，呈現出極強的穩定性。此一重大突破有望提升光學技術性能，以助構建更快速和更安全的光通信系統。
陳教授表示：「這項研究連通了超材料、拓撲物理學和結構光場三個重要物理學，基於超材料拓撲特性，確立了就時空光場操控機制的全新概念。研究成果有望推動超高精度和高效率光學器件的設計，同時開闢廣闊的應用前景，我們對其潛力的探索目前僅初現端倪。」
張博士補充道：「這種生成時空渦旋機制的拓撲穩定性確實令人矚目，為開發新型超材料和光操控技術提供了一個有力的平台，對轉化為通訊和高性能光子電路等領域的工業級應用奠定了堅實基礎。」
跨區域合作推動光學技術變革
GDZIMs在不同領域蘊含廣泛的應用前景，既能助力開發小型集成光子芯片以通過抑制通信干擾而提升通信質量，還可以催生開發尖端技術的新型手性選擇性光源。此外，GDZIMs產生光渦旋的獨特機制為遠距離、大容量空間光信息傳輸提供了新路徑，有望同時提升光網絡通信的速度和安全性。
這項名為「旋磁零折射率介質中的體時空渦旋對應關係」的研究，是與香港城市大學、深圳大學、復旦大學、武漢大學、英國南安普敦大學的研究人員合作完成。
