拓撲孤子
資訊是如何被儲存在硬碟上的？這要歸功於材料的電子自旋，透過使材料電子的自旋均勻地指向上或指向下，資訊才得以被儲存到硬碟上。然而，在奈米級尺度上，電子自旋的這種平行排列並非是最穩定的。相比之下，物理學家發現具有複雜的渦旋狀自旋排列的拓撲孤子（topological soliton）更加穩定。
但一直以來，物理學家在真實的材料中只觀測到了二維或準三維的拓撲孤子。例如，物理學家在十多年前發現的磁性拓撲孤子，即史科子（skyrmion）。史科子是二維的，類似於渦旋狀的弦。
在一項新發表於《自然》雜誌的新研究中，華南理工大學的鄭風珊教授與他的合作者在一種磁性材料中，證實了一個三維拓撲孤子——霍普夫子（Hopfion）存在的證據。
磁性的史科子和霍普夫子都是拓撲結構，它們具有與普通粒子相似的性質，也具有一些獨特的性質，比如可以在外界刺激的影響下相互作用和移動。在過去十多年中，它們一直是物理學界熱門卻又極具挑戰的研究課題。物理學家認為，這些奇異的磁性拓撲孤子有望在自旋電子學研究領域的應用中起到重要作用。
電子的自旋（內稟角動量）可以形成被稱為拓撲孤子的渦旋狀排列結構。史科子（Skyrmion）是出現在某些磁性材料中的二維拓撲孤子。（圖/Wikipedia）
尋找霍普夫子
霍普夫子是物理學家在幾十年前預言的磁自旋結構。不同於二維的史科子的是，霍普夫子是被限制在磁性樣品內的三維孤子，在最簡單的情況下，可以被認為是具有環形結構的被扭曲了的史科子弦。
磁自旋在霍普夫子環中的方向。（圖/Philipp Rybakov / Uppsala University）
根據理論預測，霍普夫子可以出現在手性磁體中。在之前的研究中，科學家已經在由一層一層的鐵原子、鈷原子和鉑原子堆疊合成的磁體中，觀測到了一種類似霍普夫子的結構。但到目前為止，還沒有確鑿的證據證明霍普夫子的存在。
在新研究中，研究人員利用透射電子顯微術和全息技術，首次在由鐵（Fe）和鍺（Ge）組成的手性磁體——FeGe板中，觀測到了霍普夫子。在此之前，他們已經在這種材料中證明了史科子弦的存在，於是緊接著嘗試用這些史科子弦來創造霍普夫子。
在180奈米厚的FeGe板上的霍普夫子環的實驗影象。（圖/Fengshan Zheng）
在實驗中，他們採用了一種可以透過改變外部磁場的方向，進而逆轉含有一個或多個史科子弦的FeGe板的磁化的方法。一方面，這個外部磁場的強度是弱的，它能使史科子弦在轉換過程中仍保持完整；但同時它又足夠強，足以改變FeGe板的邊緣的磁化強度。當磁場方向再次發生轉換時，這種邊緣效應仍然存在，並使得霍普夫子環出現在已有的史科子弦周圍。
拓撲學的新應用
這一結果具有很高的可重複性，且與微磁學模擬結果完全一致。這些發現為實驗物理學開闢了新的領域，比如確定其他晶體中的霍普夫子，研究霍普夫子如何與電流和自旋電流相互作用，霍普夫子動力學等等。
不過，研究人員謹慎地指出，他們的霍普夫子環並不能被歸類為孤立霍普夫子，因為它們的出現總伴隨著史科子弦的存在。儘管如此，新研究對這些霍普夫子環的直接觀測，仍是一項了不起的成就。
觀測並控制這種有趣的磁性自旋結構，有望應用在新一代的計算和儲存裝置上。但由於這是一次全新的發現，它的許多有趣性質還有待挖掘，所以目前還很難預測它的具體應用。但一種合理推測是，史科子是高密度計算機儲存和節能開關的潛在候選者，而作為史科子的三維升級版，霍普夫子可能同樣有用，並可能為一系列新技術提供新的途徑，
#創作團隊：
編譯：小雨
排版：雯雯
#參考來源：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06658-5
https://phys.org/news/2023-11-experimental-evidence-hopfions-crystals-dimension.html
https://www.nature.com/articles/d41586-023-03502-8
#圖片來源：
封面圖&首圖：memoryCatcher / Pixabay
