北京
多年來，這些微小的結構僅以數學概念和理論遐想的形式存在。
一支國際研究團隊首次在實驗中觀測到了磁性霍普夫子。這是一種全新的三維磁結構，其中的電子自旋形成閉合、相互鏈接的環，并在有限體積內指向所有可能的方向。
盡管理論早已預言霍普夫子的存在，但真正證實這種結構的存在，直到現在都是一大難題。
一個瑞典、德國、盧森堡和中國組成的合作團隊利用飛秒激光閃光，證明了這些磁性霍普夫子的存在。
“霍普夫子因其結構而令人著迷。它們是由自旋構成的三維物體，這些自旋形成了閉合且相互鏈接的環。一旦它們出現，就會保持自身的形態，且在很大程度上不受周圍環境的影響，”烏普薩拉大學物理與天文學系研究員 Philipp Rybakov 說道。
3D磁結構
長期以來，人們對磁性的處理方式就像是一條簡單的單行道。冰箱貼指向一個方向，指南針指向另一個方向，而硬盤中的信息則以簡單的平面線條被保存下來。
但在納米尺度下，磁性的行為要復雜得多。磁性源于“自旋”——這是一種量子特性，如同每個電子內部的一個微觀指南針。當無數個這樣的自旋在固體材料中相互作用時，就會自然而然地涌現出穩定而精細的圖案。
霍普夫子就是一種穩定的三維磁結構，在這個受限的空間內，電子自旋指向所有可能的方向。
材料會遇到巨大的能量勢壘，阻止其自然達到這種狀態。為了打破這些壁壘，合作團隊轉向了極致的速度，使用了飛秒激光。
飛秒是極短的時間片段，具體來說，是一秒的千萬億分之一（十億分之一秒的百萬分之一）。
他們使用不對稱的“手性”晶體來捕獲這些霍普夫子。有趣的是，這些晶體是110至200納米厚的鐵鍺薄膜，其鏡像結構會自然地迫使磁自旋形成獨特的排列。
由于通常的能量勢壘會阻礙霍普夫子的形成，研究團隊使用超快飛秒激光脈沖，將自旋系統震離平衡態。
激光將材料中的電子猛烈地沖擊出它們的舒適區。這個策略完美奏效了。突然的震動迫使自旋重新組織。當一切塵埃落定后，自旋穩定成了緊密鏈接的閉合環。一個霍普夫子就此誕生。
自旋電子學中的應用
證明霍普夫子的形成需要復雜的驗證。研究人員轉而使用先進的電子顯微鏡，在每次激光轟擊后實時觀測材料。
同時，他們使用了一款名為 Excalibur 的特殊模擬程序，為實驗創建“數字孿生”。該程序模擬了數百萬個相互作用的自旋如何演化，從而重現出完全相同的磁圖案。
“理論幫助我們指明方向，實驗讓結構可見，而模擬和拓撲學則幫助了我們理解所看到的現象，”Rybakov 說。
這項發現對自旋電子學領域至關重要，該領域旨在利用電子自旋取代計算中產熱的電流。這些新發現的霍普夫子可以作為三維數據包。如果成功，它可能為下一代數據存儲鋪平道路，這種存儲的密度、速度和能效將遠超今天的硅微芯片。
為了證明這并非偶然，一項發表在《自然·通訊》上的平行研究，在另一種手性材料上采用了完全相同的激光技術。這一次，它成功創造出了“雙半子”——即霍普夫子的二維“表親”。
這兩項研究證明，激光可以作為一種多功能工具，跨維度地控制磁性。
該研究發表在《自然·物理學》期刊上。
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