Laser-geïnduceerde nucleatie van magnetische hopfions

Verstrengelde wervels in kleine magneten

Stel je voor dat je een knoop legt in een onzichtbaar veld binnen een stuk metaal en die knoop vervolgens met een lichtflits tot leven wekt. Deze studie toont hoe fysici zulke knopen kunnen creëren en waarnemen in de magnetische patronen van een kristal met behulp van ultrakorte laserpulsen. Deze driedimensionale lussen, hopfions genoemd, gedragen zich als kleine deeltjes en zouden op termijn informatie kunnen opslaan of verwerken op manieren die gewone elektronica niet kan.

Waarom gedraaide magnetische lussen er toe doen

In bepaalde magnetische materialen wijst de magnetisatierichting niet alleen omhoog of omlaag, maar kan ze vloeiend door de ruimte draaien en wervels en spiralen vormen. Tweedimensionale wervels, bekend als skyrmions, kregen al aandacht als kandidaten voor toekomstige gegevensopslag omdat ze klein, mobiel en robuust zijn. Hopfions zijn hun volledig driedimensionale neven: gesloten lussen van gedraaide magnetisatie die aan zichzelf gekoppeld zijn, een beetje zoals rookringen verweven in een omringend spiraalpatroon. Theorie suggereert al lang dat geïsoleerde hopfions op zichzelf kunnen bestaan, maar experimenten zagen eerder complexere versies die verbonden waren met skyrmion-drarens, en het produceren van vrijstaande hopfions onder gecontroleerde omstandigheden bleef een open uitdaging.

Knopen schrijven met licht

De onderzoekers pakten deze uitdaging aan in dunne plaatjes van een chiraal metaal genaamd FeGe, een kristal waar concurrerende krachten van nature gedraaide magnetische toestanden bevorderen. Ze plaatsten de plaatjes in een transmissie-elektronenmicroscoop uitgerust met een ultrakorte laser. Enkele femtoseconde-laserpulsen, elk minder dan een biljardste van een seconde, verwarmden en verstoorden kort de magnetische ordening zonder fysiek contact. Door de laserenergie en de sterkte van een zwak magnetisch veld loodrecht op de plaat af te stemmen, bracht het team in kaart welke combinaties verschillende magnetische structuren opleverden. Boven een bepaalde laserfluentie, en bij relatief lage externe velden, genereerden de pulsen betrouwbaar een rijke mengeling van patronen, waaronder skyrmions, antiskyrmions, hopfion-ringen verbonden met draden, en belangrijker nog, geïsoleerde hopfions geplaatst in een helical achtergrond.

Zien en classificeren van de verborgen vormen

Aangezien hopfions in het materiaal begraven liggen, vereist hun identificatie indirecte beeldvorming. Het team gebruikte Lorentz-transmissie-elektronenmicroscopie en off-axis elektronenholografie om te meten hoe elektrongolven buigen als ze door het magnetische veld in het kristal gaan. Deze metingen produceren karakteristieke lichte en donkere vlekken die veranderen met de kanteling van het monster. Door volledige kantelseries en gedetailleerde lijnprofielen te vergelijken met micromagnetische simulaties, lieten de auteurs zien dat het waargenomen contrast overeenkomt met de complexe driedimensionale structuur die voor een hopfion wordt verwacht en niet kan worden verklaard door skyrmions, antiskyrmions of andere kandidaten. Parallel ontwikkelden ze een flexibeler wiskundig beschrijving van hopfions die werkt onder realistische randvoorwaarden, waarmee ze bewezen dat deze objecten nog steeds een goed gedefinieerde topologische lading dragen, zelfs wanneer de omringende magnetisatie niet perfect uniform is.

Hoe de laser helpt bij het vormen van knopen

Om te begrijpen hoe zulke ingewikkelde lussen zich zo snel kunnen vormen, berekende het team energielandschappen die verschillende magnetische toestanden met elkaar verbinden. Hun simulaties suggereren dat een hopfion waarschijnlijk ontstaat wanneer een skyrmion en een antiskyrmion, twee wervels met tegengestelde draairichting, samensmelten tot een enkele driedimensionale lus. De energiedrempel voor deze samensmelting is lager dan de drempel voor het verdwijnen van de hopfion, wat verklaart waarom hopfions, eenmaal gecreëerd, kunnen blijven bestaan over een breed bereik van magnetische velden en lange tijden. De berekeningen tonen ook aan dat beschadigde oppervlaklagen, ontstaan tijdens de monsterbereiding, hopfions juist kunnen helpen begrenzen, waardoor het diktebereik waarin ze stabiel zijn wordt vergroot.

Knopen als bouwstenen voor toekomstige apparaten

De auteurs tonen aan dat hopfions alleen, in paren of in combinatie met andere magnetische texturen kunnen bestaan, en dat ze zelfs zonder aangelegd magnetisch veld overleven. Deze contactloze, lichtgebaseerde methode om driedimensionale magnetische knopen in uitgebreide kristallen te creëren opent een nieuwe route om apparaten te ontwerpen die topologie in plaats van lading gebruiken om informatie te coderen. Hoewel praktische toepassingen nog ver weg lijken, vestigt het werk hopfions als echte, bestuurbare objecten en levert het een gereedschapskist voor het verkennen van hoe zulke verstrengelde structuren kunnen worden geschreven, verplaatst en gewist in vaste materialen.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: magnetische hopfions, topologische magnetisme, ultrakorte laserpulsen, skyrmions, spintronica