Laserinducerad nukleation av magnetiska hopfioner

Knutna virvlar i små magneter

Föreställ dig att knyta en knut i ett osynligt fält inne i ett fast metallstycke och sedan få den knuten att framträda med ett ljussken. Denna studie visar hur fysiker kan skapa och observera sådana knutar i de magnetiska mönstren i en kristall med hjälp av ultrahastiga laserpulser. Dessa tredimensionella slingor, kallade hopfioner, uppträder som små partiklar och skulle en dag kunna lagra eller bearbeta information på sätt som vanliga elektroniska kretsar inte kan.

Varför tvinnade magnetiska slingor är viktiga

I vissa magnetiska material pekar magnetiseringsriktningen inte bara upp eller ner utan kan tvinnas mjukt genom rummet och bilda virvlar och spiraler. Tvådimensionella virvlar kända som skyrmioner har redan uppmärksammats som kandidater för framtida datalagring eftersom de är små, rörliga och robusta. Hopfioner är deras fullt tredimensionella kusiner: slutna slingor av tvinnad magnetisering som är länkade med sig själva, lite som rökringarna flätade in i ett omgivande spiralformat mönster. Teori har länge föreslagit att isolerade hopfioner kan existera självständigt, men experiment har tidigare bara sett mer komplexa varianter knutna till skyrmionssträngar, och att producera fristående hopfioner under kontrollerade förhållanden förblev en öppen utmaning.

Skriva knutar med ljus

Forskarna tacklade denna utmaning i tunna plattor av en kiral magnet kallad FeGe, en kristall där konkurrerande krafter naturligt gynnar tvinnade magnetiska tillstånd. De placerade plattorna i ett transmissionsspektroskop (transmission electron microscope) utrustat med en ultrahast laser. Enstaka femtosekundspulser, vardera kortare än en biljonondel av en sekund, värmde och störde kortvarigt den magnetiska ordningen utan fysisk kontakt. Genom att ställa in laserenergin och styrkan hos ett svagt magnetfält applicerat vinkelrätt mot plattan, kartlade teamet vilka kombinationer som gav upphov till olika magnetiska strukturer. Över en viss laserfluens, och vid relativt låga externa fält, genererade pulserna pålitligt en rik blandning av mönster, inklusive skyrmioner, antiskyrmioner, hopfionringar kopplade till strängar, och viktigast av allt, isolerade hopfioner placerade i en helikal bakgrund.

Se och klassificera de dolda formerna

Eftersom hopfioner ligger begravda inne i materialet kräver identifiering indirekt avbildning. Teamet använde Lorentz-transmissionselektronmikroskopi och off-axis elektronholografi för att mäta hur elektronvågor böjs när de passerar genom det magnetiska fältet i kristallen. Dessa mätningar ger upphov till karaktäristiska ljusa och mörka fläckar som ändrar sig med provets tiltning. Genom att jämföra fulla tiltserier och detaljerade linjeprofiler med mikromagnetiska simuleringar visade författarna att den observerade kontrasten stämmer överens med den komplexa tredimensionella struktur som förväntas för en hopfion och inte kan förklaras av skyrmioner, antiskyrmioner eller andra kandidater. Parallellt utvecklade de en mer flexibel matematisk beskrivning av hopfioner som fungerar under realistiska randvillkor, och bevisade att dessa objekt fortfarande bär en väl definierad topologisk laddning även när omgivande magnetisering inte är perfekt uniform.

Hur lasern hjälper knutar att bildas

För att förstå hur så intrikata slingor kan dyka upp så snabbt beräknade teamet energilandskap som förbinder olika magnetiska tillstånd. Deras simuleringar tyder på att en hopfion sannolikt bildas när en skyrmion och en antiskyrmion, två virvlar med motsatt rotationsriktning, går samman till en enskild tredimensionell loop. Energibarriären för denna sammanslagning är lägre än barriären för att hopfionen ska försvinna igen, vilket förklarar varför hopfioner, när de väl skapats, kan bestå över ett brett spektrum av magnetfält och under lång tid. Beräkningarna visar också att skadade ytskikt skapade under provberedning faktiskt kan hjälpa till att begränsa hopfioner och därigenom vidga det tjockleksintervall där de är stabila.

Knutar som byggstenar för framtida enheter

Författarna visar att hopfioner kan existera ensamma, i par eller i kombination med andra magnetiska texturer, och att de överlever även utan något applicerat magnetfält. Denna kontaktfria, ljusbaserade metod för att skapa tredimensionella magnetiska knutar i utbredda kristaller öppnar en ny väg för att utforma enheter som använder topologi snarare än laddning för att koda information. Även om praktiska tillämpningar fortfarande ligger långt fram i tiden, etablerar arbetet hopfioner som verkliga, kontrollerbara objekt och förser forskarsamhället med ett verktygslåda för att utforska hur sådana knutna strukturer kan skrivas, flyttas och raderas inne i fasta material.

Citering: 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

Nyckelord: magnetiska hopfioner, topologisk magnetism, ultrahastiga laserpulser, skyrmioner, spintronik