通过光与磁性的手性相互作用生成自旋涡

扭曲光束书写微小的磁性漩涡

想象将电影、照片和整个档案存储在极小的芯片上，其中每一位数据都是横跨数十亿分之一米的磁性漩涡。本文探讨了如何用特殊形状的光束在磁性材料内部“绘制”并控制这些微小的漩涡——称为自旋涡和自旋涡环（skyrmioniums）。通过学会用光以极快且精确的方式操控这些结构，研究人员朝着超快、低能耗的存储与信息编码技术更进一步。

这种光有何特别之处？

光不仅有亮度和颜色，它还能旋转。一类旋转称为偏振，描述电场和磁场随传播方向如何扭转；圆偏振意味着这些场像风扇叶片一样旋转。另一类称为轨道角动量，使光波前像螺旋一样缠绕，形成具有暗心和亮环的“涡旋”束。当这两种旋转同时出现在圆偏振拉盖尔—高斯（CPLG）光束中时，光的磁场本身在空间中会形成复杂的漩涡图案。作者表明，通过选择光的扭转方式——其手性和拓扑电荷——可以在磁性薄膜上方产生具有不同手性（左旋或右旋）的磁场分布。

作为信息载体的磁性漩涡

在某些磁性材料中，原子级的磁矩——或自旋——可以缠绕成稳定的、类粒子的纹理，称为自旋涡。单个自旋涡看起来像微小的漩涡：远处自旋向上，穿过平面发生扭转，中心向下。自旋涡环更像磁性甜甜圈：内部的自旋涡与外层环状结构部分抵消彼此的扭转。这类对象对技术有吸引力，因为它们可以做得很小、稳定且可移动，而且其存在与否可用于编码信息。迄今为止，自旋涡通常是通过电流、加热或静态磁场产生的，这些方法在纳米尺度上往往较慢或难以精确控制。

模拟扭曲光如何在磁体上写入磁性

研究者构建了一个薄磁性薄膜的数值模型，模型中自旋最初全部指向相同方向。随后他们用一束短脉冲的CPLG光照射该虚拟薄膜，光的磁场通过塞曼效应与自旋相互作用——这与指南针在地磁场中对齐的基本原理相同。利用标准的自旋动力学方程，他们追踪每个微观磁矩随时间的倾斜和进动。不同的光学参数选择——例如光束是否携带轨道角动量以及强度如何——会产生不同的磁性结果：单个自旋涡、甜甜圈状的自旋涡环，或若干自旋涡沿环状排列。

调控漩涡的数量与形状

一个关键发现是光的“手性”与材料的手性会互相配合。即便是没有轨道角动量的圆偏振光束，其磁场在空间上均匀，也能在材料内部的内在手性力足够强时，生成单个自旋涡——这与早先的某些主张相反。当光束携带特定量的轨道扭转（例如拓扑电荷为 −1）时，其空心的环状磁场恰好匹配自旋涡环，并自然将该模式写入薄膜。对于其它电荷，光束的磁场会分裂成多个有手性的区域。根据光强，这些区域可能孕育出介于最小和最大数量之间的自旋涡；若它们彼此过近，有时会合并或拉伸成条带。由此，作者展示了可以仅通过改变光的角动量和强度来调节自旋涡的数量与排列方式。

这对未来存储意味着什么

对非专业读者而言，结论是我们现在可以使用精心雕刻的光脉冲作为一种超快的“笔”，去绘制和编辑可作为数据位的微小磁性图案。通过理解光的不同旋转如何组合形成有手性的磁场，以及这些磁场如何推动材料中的自旋形成自旋涡或自旋涡环，作者勾勒出一种按需的光学磁性编码方案。这种方法可能实现新的存储设备，通过仅改变光束的扭转，就能以太赫兹级速度、极低能耗地写入和重写信息。

引用: Zhang, Q., Lin, S. & Zhang, W. Skyrmion generation through the chirality interplay of light and magnetism. Commun Phys 9, 55 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02488-9

关键词: 自旋涡（skyrmions）, 结构化光, 磁性存储, 轨道角动量, 拓扑磁学