激光诱导的磁性霍普菲子成核

微小磁体中的缠结旋涡

想象在一块金属内部的无形场中绑了一个结，然后用一束光让那个结显现出来。这项研究展示了物理学家如何用超快激光脉冲在晶体的磁结构中创造并观测到这种结。这些三维环状结构被称为霍普菲子，它们类似微小粒子，未来有望以普通电子学无法实现的方式存储或处理信息。

为什么扭曲的磁环重要

在某些磁性材料中，磁化方向不仅仅指向上或下，而是能在空间中平滑扭转，形成旋涡和螺旋。二维旋涡——称为斯格明子——已因其微小、可移动且鲁棒性强而受到关注，成为未来数据存储的候选者。霍普菲子是它们的完全三维表亲：闭合的扭曲磁化环，它们自我连接，有点像镶嵌在周围螺旋图案中的烟圈。理论长期以来就预测孤立霍普菲子可自行存在，但实验上迄今只见到与斯格明子串相连的更复杂版本，在受控条件下生成独立霍普菲子仍是一个未解的挑战。

用光“写”出缠结

研究人员在一种称为FeGe的手性磁体薄片中应对了这一挑战，这种晶体中相互竞争的力天然有利于形成扭曲的磁态。他们将薄片置于配备超快激光的透射电子显微镜中。单个飞秒激光脉冲（每个脉冲持续时间小于一万亿分之一秒）短暂加热并扰动了磁序，而无需任何物理接触。通过调节激光能量和施加于薄片垂直方向的弱磁场强度，团队绘制出不同组合所产生的磁纹理图谱。在超过某一激光能流阈值且在相对较低外场下，脉冲可靠地生成出丰富的图案混合，包括斯格明子、反斯格明子、与磁串相连的霍普菲子环，关键是还能产生嵌在螺旋背景中的孤立霍普菲子。

观测与分类隐藏的形态

由于霍普菲子埋藏在材料内部，识别它们需要间接成像。团队使用洛伦茨透射电子显微镜和离轴电子全息测量电子波通过晶体内部磁场时的偏折。这些测量产生随样品倾斜而变化的典型明暗斑点。通过将完整的倾斜序列和详尽的线剖面与微磁学模拟进行比较，作者证明观测到的对比与霍普菲子预期的复杂三维结构相符，无法用斯格明子、反斯格明子或其他候选结构解释。同时，他们发展了一种在实际边界条件下更为灵活的霍普菲子数学描述，证明即使周围磁化并非完全均匀，这些对象仍保持明确的拓扑电荷。

激光如何促成缠结形成

为了理解如此复杂的环为何能如此迅速出现，团队计算了连接不同磁态的能量景观。他们的模拟表明，霍普菲子最可能在斯格明子和反斯格明子——两个旋转方向相反的旋涡——合并成单一三维环时形成。该合并的能垒低于霍普菲子消失的能垒，这解释了霍普菲子一旦被创造出来，就能在较宽的磁场范围内和长时间尺度上持续存在。计算还显示，样品制备过程中产生的受损表层实际上可以帮助限制霍普菲子，从而扩展其稳定的厚度范围。

作为未来器件的结构单元的缠结

作者展示了霍普菲子可以独立存在、成对出现，或与其他磁纹理组合存在，并且即使在没有任何外加磁场下也能存活。这种无接触、基于光的方法在延展性晶体中创建三维磁性缠结，为设计以拓扑而非电荷编码信息的器件开辟了新途径。尽管实用应用仍然遥远，这项工作确立了霍普菲子作为真实且可控的对象，并提供了一套工具箱，用于探索如何在固体材料内写入、移动和抹除此类缠结结构。

引用: 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

关键词: 磁性霍普菲子, 拓扑磁学, 超快激光脉冲, 斯格明子, 自旋电子学