一道激光翻轉納米磁渦：中國團隊攻克自旋電子學世界級難題

磁渦旋的螺旋度，是一種比頭發絲細數萬倍的納米級磁性結構中，自旋旋轉的方向。

改變它，歷來是自旋電子學領域公認的世界級難題。南開大學付學文教授團隊聯合國內外多家機構，用一道飛秒激光脈沖，在皮秒尺度（萬億分之一秒量級）內實現了這一精準翻轉，相關成果發表于國際頂級期刊《自然·納米技術》。

這項突破歷經八年深耕，或將為下一代高速存儲、神經形態計算乃至量子邏輯操作打開一扇全新的門。

一道難題困擾領域八年

自旋電子學的核心邏輯，是用電子的"自旋"而非傳統電荷來編碼和處理信息。磁渦旋是其中最具潛力的拓撲自旋結構之一，它像一個納米級的磁性漩渦，穩定、耐擾，還擁有極性和螺旋度兩種獨立的拓撲自由度，可以承載遠比"0"和"1"更豐富的信息編碼方式。

麻煩在于，想要可靠地切換磁渦旋的螺旋度，你必須同時做到兩件看似矛盾的事：讓全局自旋發生相干的波浪式進動，同時又不能破壞渦旋本身的拓撲幾何結構。傳統的磁場、電流、電場調控方式，往往顧此失彼，要么速度太慢，要么在切換過程中把渦旋結構破壞得面目全非，導致調控失序。

付學文團隊早在2018年就率先發現，飛秒激光可以誘導超快拓撲磁相變，但那次探索的問題是同樣會破壞磁渦旋的拓撲完整性。此后八年，團隊持續探索，最終提出了"面外磁場輔助飛秒激光脈沖激發"的全新策略。

研究以鎳鐵合金（80%鎳、20%鐵）納米磁盤為實驗對象，依托團隊自主研制的4D超快透射電子顯微鏡平臺，結合時間分辨磁光克爾效應測量，首次在實驗中直接觀測到磁渦旋拓撲螺旋度在數百皮秒尺度內的可逆相干切換，切換速度較傳統方法提升了整整一個數量級，且全程保留了磁渦旋的本征拓撲構型與對稱性。

論文共同第一作者劉燦、李澤方及其同事在論文中寫道："螺旋度切換動力學可以通過激光通量和磁場強度精確調節，從而實現對兩種能量簡并態的確定性到隨機性控制。"

從存儲到類腦計算，這扇門通向哪里

磁盤中渦旋態的布洛赫球表示及其對應的能量映射。a，受限磁盤中的渦旋自旋構型，用圓柱坐標（er， eφ， ez）表示。位置r（χ， ρ）的約化磁化m用灰色箭頭表示。b， 布洛赫球表示中的渦極態。黑色箭頭表示空間平均磁化m（mr， mφ， mz），對應渦旋態|ψC“，渦旋螺旋度為C。綠色經線和紅色緯線表示繞er軸和ez軸的自旋旋轉。c， 渦極態自旋配置的示意表示。d， 零場渦極態的能量映射。藍色和黃色區域分別表示能量極小值和最大值。e，旋極態在布洛赫球縱向和緯度方向的能級。f，g，能量演化為面外磁場H（f）和自發磁化Ms（g）的函數。f和g之間的黑色箭頭表示g中Ms相關的級數取自f的選定場值H = 377 mT。h，i，拓撲能量勢壘繪制為H（h）和Ms（i）（任意單位）的函數。圖片來源：Liu等（自然納米技術，2026年）。

這項研究的價值，遠不止于"切換得更快"這一項。

通過精準調節激光脈沖強度和磁場大小，研究人員發現可以連續調控螺旋度的切換模式，從確定性翻轉，到隨機性翻轉，再到確定性不翻轉，形成一個完整的動態響應譜系。這三種模式，恰好精準對應了神經形態計算和概率計算對器件行為的核心需求：既要有像神經元觸發一樣的確定性響應，也要有模擬隨機性突觸權重的能力。

換句話說，這不僅僅是一個更快的開關，它是一個可以模擬大腦神經元行為的物理器件原型。

當前主流計算架構正面臨馮·諾依曼瓶頸，即處理器和存儲器之間的數據搬運成為效率天花板，而神經形態芯片的思路是讓存儲和計算在同一物理結構中發生，正如大腦神經突觸那樣。磁渦旋螺旋度的超快可控切換，提供了一種硬件層面的實現路徑，功耗低、速度快、結構穩定，物理優勢明顯。

更具前瞻性的是，付學文團隊在論文中還指出，通過激光與磁場的協同調控，可以在布洛赫球上精準旋轉磁渦旋態，編碼左右手螺旋度的疊加態，這意味著在室溫下模擬量子比特操作的可能性正在浮現，拓撲自旋電子學與量子計算的深度交叉或將由此開啟。

這項研究得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金支持，合作方包括美國布魯克海文國家實驗室、德國于利希研究中心和深圳國際量子研究院。一道激光的背后，是一個跨越三大洲的科學協作網絡。