華南理工大學學者首次實驗發(fā)現(xiàn)磁霍普夫子

中國教育報-中國教育新聞網(wǎng)訊（通訊員 鄒浩 記者 劉盾）日前，華南理工大學鄭風珊教授聯(lián)合德國于利希研究中心彼特·格林伯格研究所Nikolai S. Kiselev博士、瑞典烏普薩拉大學 Filipp N. Rybakov博士等學者，首次實驗中發(fā)現(xiàn)磁霍普夫子（Hopfion）。相關成果以“Hopfion rings in a cubic chiral magnet”為題發(fā)表在《自然》（Nature）上。

其中，鄭風珊為通訊作者兼第一作者，Nikolai S. Kiselev和Filipp N. Rybakov為共同通訊作者；華南理工大學為第一完成單位。相關工作得到國家自然科學基金和中央高校業(yè)務費的支持，也得到了合肥強磁場中心杜海峰研究員課題組的高質(zhì)量樣品支持。

“霍普夫子”以德國數(shù)學家海因茨-霍普夫（Heinz Hopf）的名字命名。1962年，英國物理學家托尼-斯凱爾姆（Tony Skyrme）首次提出“拓撲孤子”。2009年，科學家首次在磁體中發(fā)現(xiàn)了拓撲孤子，為了紀念 Skyrme，將其稱為Skyrmion（斯格明子）。

一般認為，磁斯格明子是由電子自旋在空間上構(gòu)成的一類二維旋渦狀結(jié)構(gòu)，從樣品上表面貫穿到下表面，形成了斯格明子弦（String）。理論上，如果把兩個末端連接起來，會進一步形成一類三維拓撲磁孤子——磁霍普夫子。但到目前為止，實驗上尚未發(fā)現(xiàn)強有力的證據(jù)表明磁霍普夫子的存在。

該聯(lián)合團隊利用透射電子顯微鏡磁成像技術和微磁學計算，在立方鐵鍺合金中觀察到了與斯格明子弦耦合的霍普夫子，并提供了誘導產(chǎn)生這類霍普夫子的實驗方法，取得了高度可重復的實驗結(jié)果。該形核方法通過改變外部磁場的方向，同時保證磁場足夠弱，以確保斯格明子弦在轉(zhuǎn)換過程中保持完整，也得保證磁場足夠強，足以改變樣品邊緣材料的磁狀態(tài)；通過來回切換磁場方向，這種邊緣調(diào)制的閉合磁結(jié)構(gòu)會持續(xù)穩(wěn)定存在，進一步增加磁場強度，形成與斯格明子弦耦合的霍普夫子。

此外，本研究也提供了統(tǒng)一的斯格明子-霍普夫子的同倫（homotopy）分類，并深入探討了手性磁體中拓撲孤子的多樣性。這一突破性發(fā)現(xiàn)為未來磁性材料、自旋電子學和非傳統(tǒng)計算等領域的發(fā)展提供了新思路，也為新型功能器件的設計和開發(fā)提供了有力支持。

據(jù)介紹，華南理工大學自旋科技研究院以自旋為核心研究對象，從多學科綜合交叉的角度，深入研究物質(zhì)的自旋量子屬性，面向國家信息產(chǎn)業(yè)重大需求和人民生命健康，研發(fā)自旋新材料和新技術，培養(yǎng)國際一流的自旋科技人才。華南理工大學電子顯微中心立足于國際科研前沿，專注于“低劑量高分辨成像”“四維掃描透射顯微學”等核心研究方向，致力于革新透射電子顯微技術。