Nucleazione indotta da laser di hopfon magnetici

Vortici annodati in magneti minuscoli

Immaginate di fare un nodo in un campo invisibile all’interno di un pezzo solido di metallo e poi far comparire quel nodo con un lampo di luce. Questo studio mostra come i fisici possano creare e osservare tali nodi nei pattern magnetici di un cristallo usando impulsi laser ultraveloci. Questi anelli tridimensionali, chiamati hopfon, si comportano come particelle microscopiche e un giorno potrebbero immagazzinare o elaborare informazioni in modi che l’elettronica tradizionale non può.

Perché contano gli anelli magnetici tortuosi

In certi materiali magnetici, la direzione della magnetizzazione non si limita a puntare su o giù ma può ruotare dolcemente nello spazio, formando vortici e spirali. I vortici bidimensionali noti come skyrmion hanno già attirato attenzione come candidati per lo stoccaggio futuro di dati perché sono piccoli, mobili e robusti. Gli hopfon sono i loro cugini pienamente tridimensionali: anelli chiusi di magnetizzazione torcigliata che sono collegati a sé stessi, un po’ come anelli di fumo intrecciati in un motivo a spirale circostante. La teoria prevedeva da tempo che hopfon isolati potessero esistere autonomamente, ma negli esperimenti si erano osservate solo versioni più complesse legate a stringhe di skyrmion, e produrre hopfon liberi in condizioni controllate è rimasto una sfida aperta.

Scrivere nodi con la luce

I ricercatori hanno affrontato questa sfida in lastre sottili di un magnete chirale chiamato FeGe, un cristallo dove forze in competizione favoriscono naturalmente stati magnetici torcigliati. Hanno collocato le lastre in un microscopio elettronico in trasmissione dotato di un laser ultravelocissimo. Singoli impulsi laser femtosecondi, ciascuno più brevi di un milionesimo di miliardesimo di secondo, riscaldavano e disturbavano brevemente l’ordine magnetico senza alcun contatto fisico. Sintonizzando l’energia del laser e l’intensità di un campo magnetico delicato applicato perpendicolarmente alla lastra, il gruppo ha mappato quali combinazioni producevano diverse texture magnetiche. Oltre una certa fluence del laser e a campi esterni relativamente bassi, gli impulsi generavano in modo affidabile una ricca mescolanza di pattern, inclusi skyrmion, antiskyrmion, anelli di hopfon legati a stringhe e, cosa cruciale, hopfon isolati immersi in uno sfondo elicoidale.

Vedere e classificare le forme nascoste

Poiché gli hopfon sono sepolti all’interno del materiale, identificarli richiede immagini indirette. Il gruppo ha usato microscopia elettronica Lorentz in trasmissione e olografia elettronica off-axis per misurare come le onde elettroniche si deviano passando attraverso il campo magnetico nel cristallo. Queste misure producono macchie caratteristiche chiare e scure che cambiano con l’inclinazione del campione. Confrontando serie complete a vari angoli e profili di linea dettagliati con simulazioni micromagnetiche, gli autori hanno dimostrato che il contrasto osservato corrisponde alla complessa struttura tridimensionale prevista per un hopfon e non può essere spiegato da skyrmion, antiskyrmion o altri candidati. Parallelamente, hanno sviluppato una descrizione matematica più flessibile degli hopfon che funziona con condizioni al contorno realistiche, dimostrando che questi oggetti mantengono una carica topologica ben definita anche quando la magnetizzazione circostante non è perfettamente uniforme.

Come il laser favorisce la formazione dei nodi

Per capire come anelli così intricati possano apparire così rapidamente, il team ha calcolato paesaggi energetici che collegano diversi stati magnetici. Le loro simulazioni suggeriscono che un hopfon si forma molto probabilmente quando uno skyrmion e un antiskyrmion, due vortici con senso di rotazione opposto, si fondono in un unico anello tridimensionale. La barriera energetica per questa fusione è inferiore alla barriera per la scomparsa dell’hopfon, ciò spiega perché gli hopfon, una volta creati, possono persistere su un’ampia gamma di campi magnetici e per tempi lunghi. I calcoli mostrano anche che strati superficiali danneggiati creati durante la preparazione del campione possono effettivamente aiutare a confinare gli hopfon, ampliando l’intervallo di spessore in cui sono stabili.

Nodi come mattoni per dispositivi futuri

Gli autori dimostrano che gli hopfon possono esistere da soli, in coppia o in combinazione con altre texture magnetiche, e che sopravvivono anche senza alcun campo magnetico applicato. Questo metodo senza contatto, basato sulla luce, per creare nodi magnetici tridimensionali in cristalli estesi apre una nuova strada per progettare dispositivi che usino la topologia anziché la carica per codificare informazioni. Sebbene le applicazioni pratiche siano ancora distanti, il lavoro stabilisce gli hopfon come oggetti reali e controllabili e fornisce una cassetta degli attrezzi per esplorare come tali strutture annodate possano essere scritte, spostate e cancellate all’interno di materiali solidi.

Citazione: Chen, X., Yang, D., Li, Z. et al. Laser-induced nucleation of magnetic hopfions. Nat. Phys. 22, 736–744 (2026). https://doi.org/10.1038/s41567-026-03236-0

Parole chiave: hopfon magnetici, magnetismo topologico, impulsi laser ultraveloci, skyrmion, spintronica