光诱导的手性磁体中的双旋子

用光书写微小的磁性漩涡

现代计算机使用电荷来传输信息，这会以热量的形式浪费能量。物理学家正在探索利用稳定的、像粒子一样行为的旋转磁性图样来存储和传输数据的新方法。本研究表明，超快激光脉冲可以在室温下可靠地“写入”一种特殊的磁性漩涡，称为双旋子，进入薄晶体中，而且这些漩涡可以通过温和的磁场进行调控。这项工作指向了未来由光而非导线控制的低能耗存储和逻辑器件的发展方向。

作为信息载体的小磁结

在某些磁体中，微小的原子磁矩并非全部排列一致；相反，它们扭曲成称为拓扑自旋纹理的微型漩涡。由于这些扭曲不能在不进行大规模重排的情况下被抹去，这些结构异常稳定，可以作为鲁棒的信息位。最著名的例子是斯格明子，它是在优先方向指向平面外的磁体中形成的圆形漩涡。在自旋倾向于位于平面内的磁体中，相关的对象称为半旋子（meron）和双旋子（bimeron）。双旋子实质上是成对结合的半旋子，共同表现得像一个粒子。它们对未来电子学和自旋电子学具有吸引力，因为理论上它们可以被很小的电流驱动，能够高密度封装，并可在纳米尺度上使用而不易瓦解。

用激光闪光创建磁性漩涡

研究人员使用了由钴、锌和锰组成的手性磁体薄片（Co₈Zn₈Mn₄）。在这种材料中，内部的扭曲相互作用天然地有利于螺旋状的磁性模式，并且该磁体在高于室温时仍保持有序。团队将样品制成仅90–200纳米厚的薄片，并在透射电子显微镜中直接观测其磁性结构。随后他们向样品发射单个飞秒（千万亿分之一秒）激光脉冲。每个脉冲极快速地加热磁体，暂时扰乱其有序模式并将其驱入无序的高能态。随着样品在十亿分之一到百万分之一秒内冷却，磁化重新组织，稳定的双旋子在系统松弛过程中出现。

用温和的磁场调控双旋子

通过对薄片施加垂直的小磁场，团队可以控制形成的双旋子类型和数量。在零场时，激光脉冲产生了两种镜像双旋子的混合体。即便只有几十毫特斯拉的适度磁场也会改变能量平衡，使某一类型更有利并占主导地位。随着磁场增强，双旋子数量先增加到一个峰值然后减少，在超过临界磁场后消失。对不同厚度薄片的精确实验表明，尽管在显微镜中图样的外观有所变化，但底层的三维磁性扭曲在拓扑上是相同的。换句话说，双旋子的本质“结型”并不依赖于薄片的厚度。

放大观察内部磁性结构

除了成像，团队还使用包含扭曲相互作用、常规磁性刚度和样品形状影响的介观磁学模型对磁体行为进行了详细的计算机模拟。他们还考虑到了在制备过程中产生的薄表面损伤层，该层中扭曲相互作用减弱。从随机自旋排列出发，模拟朝向低能态松弛并产生了在密度和对比度上都与实验图像密切匹配的双旋子图样。计算揭示了每个双旋子是如何由两个形状不同的连接半旋子构成的，以及随着磁场增加，周围的磁性背景如何逐步从倾斜的圆锥状图样拉直，趋向完全均匀的状态。

从双旋子到斯格明子及未来器件

在模拟中推动更高的磁场时，研究人员观察到当周围磁化完全对齐后，双旋子平滑地转变为更具对称性的斯格明子。在室温下的实际实验中，热涨落导致双旋子在能观察到这一最终转变之前坍缩，但理论与测量之间的吻合支持了将双旋子和斯格明子视为密切相关的拓扑对象的统一图景。总体而言，这项工作表明单个超快光脉冲可以可靠地在面内磁化的薄膜中写入可控的双旋子图样。这种对耐久磁性结的光学控制标志着朝着利用光与磁性以远低于当今电子学的能耗处理信息的未来存储与计算技术迈出的关键一步。

引用: Zhu, K., Rybakov, F.N., Wang, Z. et al. Light-induced bimerons in a chiral magnet. Nat Commun 17, 3185 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71291-5

关键词: 双旋子, 超快激光, 拓扑磁学, 自旋电子学, 斯格明子