國際研究團隊首次實驗觀察到三維磁性結構「Hopfion」

國際研究團隊首次實驗性地觀測到磁性霍普費翁（hopfions）。這是一種新的三維磁性結構，其中電子自旋形成閉合的、相互聯繫的環路，並在有限的空間內指向所有可能的方向。儘管霍普費翁的存在早已由理論預測，但實際證明這些結構的存在一直是一個重大挑戰。由瑞典、德國、盧森堡和中國的合作團隊展示了這些磁性霍普費翁的存在，利用瞬時激光閃光進行實驗。烏普薩拉大學物理與天文學系研究員菲利普·裏巴科夫（Philipp Rybakov）表示：「霍普費翁因其結構而令人著迷。

它們是由自旋構成的三維物體，形成閉合且相互聯繫的環路。一旦出現，它們會保持其形狀，並在很大程度上不受周圍環境的影響。」

霍普費翁的形成需要先進技術支持

三維磁性結構長期以來被視為一個簡單的單向街道。冰箱磁鐵朝一個方向指，羅盤針朝另一個方向指，而我們硬盤中的信息則以簡單的平坦線條儲存。然而，在納米尺度上，磁性表現出更為複雜的行為。磁性源自「自旋」——這是一種量子特性，像微觀的內部羅盤一樣存在於每個電子內部。當無數個自旋在固體材料內部相互作用時，自然會出現穩定而複雜的圖案。霍普費翁是一種穩定的三維磁性結構，其中電子自旋在受限空間內指向所有可想像的方向。

材料面臨巨大的能量障礙，使其無法自然達到此狀態。為了打破這些障礙，合作團隊尋求極端速度，使用了瞬時激光。

瞬時激光是一個無法想像的極小時間片段，具體而言是十億分之一秒的百萬分之一。研究團隊使用不對稱的「手性」晶體來捕捉這些霍普費翁。有趣的是，這些晶體是 110 至 200 納米薄的鐵鍺薄膜，其鏡像結構自然迫使磁性自旋形成獨特的排列。由於正常的能量障礙通常會阻止霍普費翁的形成，團隊使用超快的瞬時激光脈衝將自旋系統從平衡狀態中震撼出來。激光猛烈地將材料的電子驚擾出其舒適區域。

這一策略非常成功。突如其來的震動迫使自旋重新組織。當塵埃落定時，自旋穩定地形成緊密聯繫的閉合環路，霍普費翁因此誕生。

新發現的霍普費翁推動自旋電子學的發展

證明霍普費翁的形成需要複雜的驗證。研究人員轉向先進的電子顯微鏡技術，實時觀察材料在每次激光打擊後的狀態。同時，使用一種名為「Excalibur」的專用模擬程序來創建實驗的「數字雙胞胎」。它模擬了數以百萬計的相互作用自旋如何演變，以重現完全相同的磁性圖案。裏巴科夫表示：「理論幫助我們指明正確的方向，實驗使結構可見，而模擬和拓撲幫助我們解釋所觀察到的現象。」這一發現對自旋電子學（spintronics）至關重要，該領域旨在用電子自旋替代產生熱量的電流進行計算。

新發現的霍普費翁可能作為三維數據包。如果成功，這將為下一代數據存儲鋪平道路，其密度更高、速度更快、能效遠超當前的硅微晶片。

為了證明這並非偶然，一項發表在《自然通訊》（Nature Communications）的平行研究在另一種手性材料上使用了相同的激光技術。此次成功創造了「雙馬龍」（bimerons）——霍普費翁的二維表親。這兩項研究證明瞭激光可以作為一種多維度控制磁性的多功能工具。該研究發表於《自然物理學》（Nature Physics）期刊。