拓扑孤子

信息是如何被储存在硬盘上的？这要归功于材料的电子自旋，通过使材料电子的自旋均匀地指向上或指向下，信息才得以被存储到硬盘上。然而，在纳米级尺度上，电子自旋的这种平行排列并非是最稳定的。相比之下，物理学家发现具有复杂的涡旋状自旋排列的拓扑孤子（topological soliton）更加稳定。

但一直以来，物理学家在真实的材料中只观测到了二维或准三维的拓扑孤子。例如，物理学家在十多年前发现的磁性拓扑孤子，即史科子（skyrmion）。史科子是二维的，类似于涡旋状的弦。

在一项新发表于《自然》杂志的新研究中，华南理工大学的郑风珊教授与他的合作者在一种磁性材料中，证实了一个三维拓扑孤子——霍普夫子（Hopfion）存在的证据。

磁性的史科子和霍普夫子都是拓扑结构，它们具有与普通粒子相似的性质，也具有一些独特的性质，比如可以在外界刺激的影响下相互作用和移动。在过去十多年中，它们一直是物理学界热门却又极具挑战的研究课题。物理学家认为，这些奇异的磁性拓扑孤子有望在自旋电子学研究领域的应用中起到重要作用。

电子的自旋（内禀角动量）可以形成被称为拓扑孤子的涡旋状排列结构。史科子（Skyrmion）是出现在某些磁性材料中的二维拓扑孤子。（图/Wikipedia）

寻找霍普夫子

霍普夫子是物理学家在几十年前预言的磁自旋结构。不同于二维的史科子的是，霍普夫子是被限制在磁性样品内的三维孤子，在最简单的情况下，可以被认为是具有环形结构的被扭曲了的史科子弦。

磁自旋在霍普夫子环中的方向。（图/Philipp Rybakov / Uppsala University）

根据理论预测，霍普夫子可以出现在手性磁体中。在之前的研究中，科学家已经在由一层一层的铁原子、钴原子和铂原子堆叠合成的磁体中，观测到了一种类似霍普夫子的结构。但到目前为止，还没有确凿的证据证明霍普夫子的存在。

在新研究中，研究人员利用透射电子显微术和全息技术，首次在由铁（Fe）和锗（Ge）组成的手性磁体——FeGe板中，观测到了霍普夫子。在此之前，他们已经在这种材料中证明了史科子弦的存在，于是紧接着尝试用这些史科子弦来创造霍普夫子。

在180纳米厚的FeGe板上的霍普夫子环的实验图像。（图/Fengshan Zheng）

在实验中，他们采用了一种可以通过改变外部磁场的方向，进而逆转含有一个或多个史科子弦的FeGe板的磁化的方法。一方面，这个外部磁场的强度是弱的，它能使史科子弦在转换过程中仍保持完整；但同时它又足够强，足以改变FeGe板的边缘的磁化强度。当磁场方向再次发生转换时，这种边缘效应仍然存在，并使得霍普夫子环出现在已有的史科子弦周围。

拓扑学的新应用

这一结果具有很高的可重复性，且与微磁学模拟结果完全一致。这些发现为实验物理学开辟了新的领域，比如确定其他晶体中的霍普夫子，研究霍普夫子如何与电流和自旋电流相互作用，霍普夫子动力学等等。

不过，研究人员谨慎地指出，他们的霍普夫子环并不能被归类为孤立霍普夫子，因为它们的出现总伴随着史科子弦的存在。尽管如此，新研究对这些霍普夫子环的直接观测，仍是一项了不起的成就。

观测并控制这种有趣的磁性自旋结构，有望应用在新一代的计算和存储设备上。但由于这是一次全新的发现，它的许多有趣性质还有待挖掘，所以目前还很难预测它的具体应用。但一种合理推测是，史科子是高密度计算机存储和节能开关的潜在候选者，而作为史科子的三维升级版，霍普夫子可能同样有用，并可能为一系列新技术提供新的途径。

参考来源：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06658-5

https://phys.org/news/2023-11-experimental-evidence-hopfions-crystals-dimension.html

https://www.nature.com/articles/d41586-023-03502-8

封面图&首图：memoryCatcher / Pixabay