Индуцированная лазером нуклеация магнитных гопфионов

Запутанные вихри в крошечных магнетах

Представьте, что вы завязываете узел в невидимом поле внутри куска металла, а затем заставляете этот узел появиться вспышкой света. В этом исследовании показано, как физики могут создавать и наблюдать такие узлы в магнитных образцах кристалла с помощью ультракоротких лазерных импульсов. Эти трёхмерные петли, называемые гопфионами, ведут себя как крошечные частицы и в будущем могут хранить или обрабатывать информацию способами, недоступными обычной электронике.

Почему важны закрученные магнитные петли

В некоторых магнитных материалах направление намагниченности может не просто указывать вверх или вниз, а плавно закручиваться в пространстве, образуя вихри и спирали. Двумерные вихри, известные как скьюрмионы, уже привлекли внимание как кандидаты для будущего хранения данных — они малы, подвижны и устойчивы. Гопфионы — их полностью трёхмерные родственники: замкнутые петли закрученной намагниченности, сцеплённые сами с собой, немного напоминающие кольца дыма, вплетённые в окружающий спиральный узор. Теория давно предсказывала возможность существования изолированных гопфионов, но в экспериментах раньше наблюдали в основном более сложные варианты, связанные со скьюрмионными струнами; получение автономных гопфионов в контролируемых условиях оставалось нерешённой задачей.

Запись узлов светом

Исследователи решили эту задачу на тонких пластинах хирального магнита FeGe, кристалла, в котором конкурирующие взаимодействия естественным образом благоприятствуют закрученным магнитным состояниям. Пластины поместили в просвечивающий электронный микроскоп, оснащённый ультракоротким лазером. Отдельные фемтосекундные лазерные импульсы, каждый продолжительностью меньше триллионной доли секунды, кратковременно нагревали и нарушали магнитный порядок без физического контакта. Настраивая энергию лазера и величину слабого магнитного поля, приложенного перпендикулярно пластине, команда построила карту комбинаций, приводящих к разным магнитным текстурам. При превышении определённой флюенции лазера и при относительно низких внешних полях импульсы надёжно генерировали богатое смешение паттернов, включая скьюрмионы, антискьюрмионы, гопфионные кольца, сцеплённые со струнами, и, что важно, изолированные гопфионы, находящиеся в геликальном фоне.

Видеть и классифицировать скрытые формы

Поскольку гопфионы зарыты внутри материала, их идентификация требует косвенной визуализации. Команда использовала лоренц-электронную просвечивающую микроскопию и внеосевую электронную голографию, чтобы измерить, как электронные волны отклоняются при прохождении через магнитное поле внутри кристалла. Эти измерения дают характерные светлые и тёмные пятна, которые меняются при наклоне образца. Сравнивая полные серии снимков при разных углах и детальные линейные профили с микромагнитными моделями, авторы показали, что наблюдаемый контраст соответствует сложной трёхмерной структуре, ожидаемой для гопфиона, и не может быть объяснён скьюрмионами, антискьюрмионами или другими кандидатами. Параллельно они разработали более гибкое математическое описание гопфионов, работающее при реалистичных граничных условиях, доказав, что эти объекты сохраняют хорошо определённый топологический заряд даже когда окружающая намагниченность не идеально однородна.

Как лазер помогает формировать узлы

Чтобы понять, как такие сложные петли могут появляться так быстро, команда рассчитала энергетические ландшафты, связывающие разные магнитные состояния. Их симуляции показывают, что гопфион наиболее вероятно формируется тогда, когда скьюрмион и антискьюрмион — два вихря с противоположными направлениями вращения — сливаются в единую трёхмерную петлю. Энергетический барьер для такого слияния ниже, чем барьер для исчезновения гопфиона, что объясняет, почему гопфионы, однажды созданные, могут существовать в широком диапазоне магнитных полей и длительное время. Расчёты также показывают, что повреждённые поверхностные слои, образующиеся при подготовке образца, могут на самом деле помогать удерживать гопфионы, расширяя диапазон толщин, в котором они стабильны.

Узлы как строительные блоки для будущих устройств

Авторы демонстрируют, что гопфионы могут существовать отдельно, парами или в сочетании с другими магнитными текстурами, и что они выживают даже без приложенного магнитного поля. Этот бесконтактный, основанный на свете метод создания трёхмерных магнитных узлов в протяжённых кристаллах открывает новый путь к проектированию устройств, использующих топологию, а не заряд, для кодирования информации. Хотя практические применения пока далеки, работа подтверждает, что гопфионы — реальные, управляемые объекты, и предоставляет инструменты для изучения того, как такие переплетённые структуры можно записывать, перемещать и стирать внутри твёрдых материалов.

Цитирование: 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

Ключевые слова: магнитные гопфии, топологическая магнетизм, ультрафастные лазерные импульсы, скьюрмионы, спинтроника