突破性发现！华南理工学者首次实验发现磁霍普夫子

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突破性发现！华南理工学者首次实验发现磁霍普夫子

人民网广州11月24日电 (宁玉瑛)据华南理工大学消息，华南理工大学郑风珊教授联合德国于利希研究中心Nikolai S. Kiselev博士和瑞典乌普萨拉大学Filipp N. Rybakov博士等学者，共同在晶体中直接观察到磁霍普夫子(Hopfion)。相关成果以“Hopfion rings in a cubic chiral magnet”为题发表在国际学术期刊《自然》(Nature)上。

“磁霍普夫子的实验发现为自旋电子学、下一代信息存储技术、非传统计算技术(如类脑计算)等提供了新的方向。”郑风珊表示。

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华南理工大学供图。

据了解，霍普夫子以德国数学家海因茨-霍普夫(Heinz Hopf)的名字命名，其概念由来可追溯到由英国物理学家托尼-斯凯尔姆(Tony Skyrme)在1962年首次提出的“拓扑孤子”。2009年，科学家首次在磁体中发现了拓扑孤子，为了纪念 Skyrme，将其称为Skyrmion(斯格明子)。

一般认为，磁斯格明子是由电子自旋在空间上构成的一类二维旋涡状结构，从样品上表面贯穿到下表面，形成了斯格明子弦(String)。理论上，如果把两个末端连接起来，会进一步形成一类三维拓扑磁孤子——磁霍普夫子。但目前为止，实验上尚未发现强有力的证据表明磁霍普夫子的存在。

该联合团队利用了透射电子显微镜磁成像技术和微磁学计算，在立方铁锗合金中观察到了与斯格明子弦耦合的霍普夫子，并提供了诱导产生这类霍普夫子的实验方法，取得了高度可重复的实验结果。该形核方法通过改变外部磁场的方向，同时保证磁场足够弱，以确保斯格明子弦在转换过程中保持完整，也得保证磁场足够强，足以改变样品边缘材料的磁状态；通过来回切换磁场方向，这种边缘调制的闭合磁结构会持续稳定存在，进一步通过增加磁场强度，形成与斯格明子弦耦合的霍普夫子。此外，本研究也提供了统一的斯格明子-霍普夫子的同伦(homotopy)分类，并深入探讨了手性磁体中拓扑孤子的多样性。

郑风珊表示，磁霍普夫子的实验发现，相比与二维拓扑孤子，拥有第三个维度的自由度，使得其基础物理性质极为迥异和丰富，这一突破性发现为未来磁性材料、自旋电子学和非传统计算等领域的发展提供新思路，也为新型功能器件的设计和开发提供了有力支持。