華南理工大學，2023首篇Nature！

一、【導讀】

Hopfion（霍普夫子）是一種特定的紐結幾何結構，一種三維拓撲孤子，這種拓撲結構由奧地利數學家海因茨·霍普夫（Heinz Hopf）于1931年首次提出。磁性斯格明子和霍普夫子是拓撲孤子，它們是局域性優異的場組合。由于其獨特的類粒子性質，在過去十年中受到了相當大的關注，這使它們成為自旋電子應用的有前途的候選者。斯格明子是一種類似漩渦狀弦結構的二維孤子，可以穿透整個樣本。霍普夫子是限制在磁性樣本體積內的三維孤子，在最簡單的情況下可以被認為是呈環形的閉合扭曲斯格明子串。盡管對磁性斯格明子進行了廣泛的研究，但直接觀察磁性霍普夫子是具有挑戰性的，并且僅在合成材料中有報道。

二、【成果掠影】

近日，華南理工大學鄭風珊教授（一作兼通訊）、德國于利希研究中心Nikolai S. Kiselev教授和瑞典烏普薩拉大學Filipp N. Rybakov教授等人直接觀察晶體中的霍普夫子。在實驗中，研究人員使用透射電子顯微鏡觀察了在B20型FeGe板中形成與斯格明子串耦合態的霍普夫子。隨后研究人員提供了一個核化這種霍普夫子環的方案，使用洛倫茲成像和電子全息術對其進行了驗證。本結果具有高度的可重復性，并且與微磁模擬完全一致。本研究提供了一個統一的斯格明子—霍普夫子同調分類，并深入了解了三維手性磁體中拓撲孤子的多樣性。該論文以題為“Hopfion rings in a cubic chiral magnet”發表在知名期刊Nature上。

三、【數據概覽】

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圖1 ?幾何受限FeGe樣品中斯格明子串上的霍普夫子環 ? 2023 Springer Nature

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圖2? 霍普夫子環隨著外加磁場增加的變化 ? 2023 Springer Nature

圖3? 帶有霍普夫子環的奇異磁態 ? 2023 Springer Nature

圖4? 帶有霍普夫子環的磁性織構的微磁模擬 ? 2023 Springer Nature

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四、【成果啟示】

在本研究中，霍普夫子環的大小比平面內樣本的大小小得多，并且霍普夫子環可以在至少兩個空間維度上移動。在較厚的樣本中，作者推測霍普夫子環也可以在第三空間維度上沿著斯格明子串移動并相互作用。根據經典場論的一般原理，可以理解斯格明子串的Hopf電荷會受到斯格明子的縱向扭曲以及斯格明子扭曲的影響。本發現為研究霍普夫子環的動力學和傳輸特性開辟了廣闊的前景，并將在自旋電子學、神經形態計算和其他技術中得到實際應用。

文獻鏈接：Hopfion rings in a cubic chiral magnet (Nature 2023, 623, 718-723)

本文由大兵哥供稿。