5月14日，《自然》在線刊發(fā)了香港科技大學(xué)教授陳子亭團(tuán)隊(duì)同合作者最新成果。他們首次實(shí)現(xiàn)了一類稱之為“旋磁雙零折射率介質(zhì)”的全新光學(xué)超材料，并利用該材料位于拓?fù)湎嘧兣R界點(diǎn)的特性，提出利用該材料超魯棒產(chǎn)生光學(xué)時(shí)空渦旋的新機(jī)制。
“該研究以旋磁雙零超材料為橋梁，揭示了光學(xué)超材料、拓?fù)湮镔|(zhì)、時(shí)空結(jié)構(gòu)光場(chǎng)三個(gè)前沿研究領(lǐng)域間的內(nèi)在深刻聯(lián)系，預(yù)示著利用極端參數(shù)人工超材料操控時(shí)空拓?fù)涔鈭?chǎng)的新研究方向?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡哧愖油?duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》表示。
陳子亭與團(tuán)隊(duì)成員張若洋、崔曉晗攝于香港科技大學(xué)物理系。
《自然》雜志審稿人評(píng)價(jià)稱：“這項(xiàng)工作對(duì)光學(xué)、凝聚態(tài)物質(zhì)和拓?fù)漕I(lǐng)域有廣泛的意義”，并且“有望推動(dòng)拓?fù)涔庾訉W(xué)和超材料領(lǐng)域的發(fā)展，特別是在波操控和光渦旋產(chǎn)生的應(yīng)用方面”。
從理論概念到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
超材料是一類由人工微結(jié)構(gòu)單元周期性排列構(gòu)成的復(fù)合材料，其宏觀光學(xué)性質(zhì)并非由化學(xué)組分決定，而是主要取決于微結(jié)構(gòu)的幾何形狀、尺寸和排布方式。這一特性使得超材料能夠展現(xiàn)出許多自然材料所不具備的奇異物理性質(zhì)。
自2000年英國(guó)科學(xué)家約翰·潘德利提出利用超材料實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率現(xiàn)象以來(lái)，超材料領(lǐng)域不斷突破經(jīng)典電磁學(xué)邊界，其中“零折射率”現(xiàn)象尤為引人注目——當(dāng)材料折射率為零時(shí)，光波在介質(zhì)中傳播的相位延遲消失，空間被光學(xué)意義上“壓縮”為點(diǎn)。
2011年，陳子亭團(tuán)隊(duì)首次提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證“雙零折射率超材料”，其介電常數(shù)與磁導(dǎo)率同時(shí)為零，可實(shí)現(xiàn)完美隧穿、電磁隱身等效應(yīng)，成為超材料領(lǐng)域的經(jīng)典范式。然而，傳統(tǒng)雙零材料存在一個(gè)未解難題：其能帶結(jié)構(gòu)中存在一條無(wú)法消除的“水平平帶”，雖不參與光波傳輸，卻限制了材料性能的進(jìn)一步優(yōu)化。
2019年，陳子亭團(tuán)隊(duì)汪能（前成員）與張若洋開始探索平帶成因。他們發(fā)現(xiàn)，平帶與電磁互易性密切相關(guān)，若要實(shí)現(xiàn)無(wú)平帶的“狄拉克錐”能帶結(jié)構(gòu)，需打破互易性。通過(guò)引入非互易旋磁效應(yīng)，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種磁導(dǎo)率張量行列式為零的旋磁介質(zhì)模型，首次將零折射率概念從標(biāo)量推廣至矩陣形式。
陳子亭表示：“材料的電磁參數(shù)通常不是簡(jiǎn)單的標(biāo)量而應(yīng)該是更廣義的張量矩陣形式，所以自2011年的工作后，我們就一直在探索應(yīng)該如何把零折射的概念再一次從零值標(biāo)量推廣為高維的‘零折射率’矩陣，以及這種拓展可能呈現(xiàn)的獨(dú)特光學(xué)性質(zhì)。”
利用旋磁雙零超材料產(chǎn)生時(shí)空光渦旋概念圖。
“這一突破源于對(duì)平帶現(xiàn)象的好奇?！闭撐墓餐谝蛔髡?、香港科技大學(xué)研究助理教授張若洋表示，“我們花了近4年時(shí)間，從理論模型到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終證明了旋磁雙零超材料的可行性。
從邊界效應(yīng)到時(shí)空維度
實(shí)現(xiàn)旋磁雙零超材料的核心挑戰(zhàn)在于，其零折射率張量?jī)H存在于光學(xué)結(jié)構(gòu)的拓?fù)湎嘧兣R界點(diǎn)。為精確定位這一臨界點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了微波頻段的可調(diào)諧超材料結(jié)構(gòu)，并通過(guò)連續(xù)觀測(cè)能帶隨晶格長(zhǎng)度的變化，成功實(shí)現(xiàn)了材料參數(shù)的精確控制。
“這是我首次開展微波實(shí)驗(yàn)?！闭撐墓餐谝蛔髡呒婀餐ㄓ嵶髡?、香港科技大學(xué)博士崔曉晗回憶道，“盡管面臨諸多技術(shù)難題，但通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)作，我們最終在2023年初觀測(cè)到‘釘扎’在狄拉克點(diǎn)的渦旋反射光譜?！边@一現(xiàn)象表明，旋磁雙零超材料能夠產(chǎn)生獨(dú)特的拓?fù)涔鈭?chǎng)結(jié)構(gòu)——光學(xué)時(shí)空渦旋。
然而，驗(yàn)證這一機(jī)制需觀測(cè)時(shí)空光渦旋，而團(tuán)隊(duì)缺乏相關(guān)實(shí)驗(yàn)條件。2023年，香港城市大學(xué)教授吳耿波團(tuán)隊(duì)提供了關(guān)鍵支持。雙方合作設(shè)計(jì)了一套皮秒級(jí)精度的瞬時(shí)微波探測(cè)系統(tǒng)，首次在微波頻段生成并觀測(cè)到時(shí)空光渦旋，證實(shí)了基于旋磁零折射率超材料的全新物理機(jī)制。
至此，關(guān)于旋磁雙零超材料的故事似乎已經(jīng)完整，然而研究團(tuán)隊(duì)后來(lái)才發(fā)現(xiàn)這只是一個(gè)更為激動(dòng)人心理論的序章。
“我們?cè)谟^察到渦旋光譜鎖定在材料的狄拉克點(diǎn)后，隱約覺得其背后有更深層的物理機(jī)制。但直到2024年2月，我們才最終意識(shí)到時(shí)空光渦旋的產(chǎn)生本質(zhì)上源于材料的拓?fù)湎嘧冞^(guò)程，而時(shí)空渦旋的‘渦旋環(huán)繞數(shù)’則由拓?fù)湎嘧兦昂蟛牧系耐負(fù)鋽?shù)跳變決定。”張若洋表示。
傳統(tǒng)雙零折射率超材料與旋磁雙零折射率超材料對(duì)比，及利用旋磁雙零超材料產(chǎn)生時(shí)空光渦旋。
這一發(fā)現(xiàn)將拓?fù)湮锢韺W(xué)的“體-邊對(duì)應(yīng)關(guān)系”推廣至光學(xué)遠(yuǎn)場(chǎng)和時(shí)間維度，建立了材料內(nèi)稟拓?fù)湫再|(zhì)與時(shí)空散射效應(yīng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。“證明的過(guò)程雖然漫長(zhǎng)，但最終的發(fā)現(xiàn)讓一切等待都變得值得。”張若洋補(bǔ)充到。
“在電子材料中，拓?fù)湫?yīng)僅出現(xiàn)在材料表面；而光子可自由輻射至外部空間，因此拓?fù)涮匦钥裳由熘敛牧现?。”陳子亭表示，“這一思想突破使我們能夠以前所未有的方式操控量子和經(jīng)典光場(chǎng)。”
從基礎(chǔ)研究到技術(shù)革命
體-邊對(duì)應(yīng)關(guān)系是拓?fù)湮锢韺W(xué)中最重要的原理之一，其表征拓?fù)洳牧象w內(nèi)的內(nèi)稟拓?fù)涮卣鳎ㄈ缌孔踊耐負(fù)鋽?shù)）決定了拓?fù)洳牧线吔缟系钠嫣亓孔踊斶\(yùn)效應(yīng)，例如只能在邊界上傳輸?shù)膯蜗螂娏?。然而，研究團(tuán)體的新發(fā)現(xiàn)將這一基本原理所預(yù)言的拓?fù)溥吔缧?yīng)推廣到了光學(xué)遠(yuǎn)場(chǎng)和時(shí)間維度。
在超材料領(lǐng)域，旋磁雙零超材料為光波操控提供了嶄新的思路，有望催生單向零折射率波導(dǎo)、大面積單模手性激光器等新型高性能光學(xué)器件。研究中提出的“張量型零折射率”概念可以進(jìn)一步推廣到具有任意個(gè)數(shù)零本征值的雙各向異性本構(gòu)張量，預(yù)示著一大類豐富多樣的極端參數(shù)超構(gòu)材料等待被發(fā)掘。
“旋磁雙零折射率超材料提供了一種生成時(shí)空光渦旋的新機(jī)制。該機(jī)制依賴于材料的內(nèi)稟性質(zhì)，無(wú)需借助空間光調(diào)制器等常規(guī)光學(xué)器件，因而具有極強(qiáng)的魯棒性，有望應(yīng)用于高分辨率、低損耗微波成像領(lǐng)域?！闭撐墓餐谝蛔髡咴杀硎?。
研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將旋磁雙零超材料拓展至太赫茲和光波頻段，探索其在非線性和量子光學(xué)中的應(yīng)用。此外，團(tuán)隊(duì)還將深入研究光子材料的動(dòng)量空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以期在時(shí)空拓?fù)涔鈱W(xué)奇點(diǎn)和光場(chǎng)準(zhǔn)粒子操控領(lǐng)域取得突破。
陳子亭與團(tuán)隊(duì)成員張若洋、崔曉晗在討論旋磁雙零超材料產(chǎn)生時(shí)空光渦旋的機(jī)制。本文由研究團(tuán)隊(duì)供圖
從2011年雙零折射率超材料的提出，到2023年旋磁雙零超材料的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，陳子亭團(tuán)隊(duì)歷時(shí)10余年，完成了從理論到應(yīng)用的閉環(huán)。這一成果不僅推動(dòng)了超材料與拓?fù)湮锢淼慕徊嫒诤?，更為光學(xué)操控技術(shù)開辟了新方向。
在《自然》雜志對(duì)該工作的“研究簡(jiǎn)報(bào)”中，《自然》編輯評(píng)價(jià)稱：該研究“揭示了材料光學(xué)特性與光的拓?fù)鋵傩灾g的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，為時(shí)空光場(chǎng)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建提供了新方法，例如形成時(shí)空渦旋?！?span style="display:none">8C9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
論文共同通訊作者、深圳大學(xué)副教授汪能表示：“這項(xiàng)工作為超材料領(lǐng)域帶來(lái)了新的理論視角和活力。超材料不僅是應(yīng)用平臺(tái)，其深層數(shù)學(xué)物理原理的探索同樣具有廣泛價(jià)值。我們相信，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)理問(wèn)題的深入研究將突破現(xiàn)有開發(fā)瓶頸，帶來(lái)顛覆性創(chuàng)新?！?span style="display:none">8C9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
論文共同通訊作者吳耿波表示：“新材料有望顯著提升微波通信系統(tǒng)的性能，推動(dòng)拓?fù)涔庾訉W(xué)從理論走向?qū)嵱谩！?span style="display:none">8C9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
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