华南理工大学，2023首篇Nature！

一、【导读】

Hopfion（霍普夫子）是一种特定的纽结几何结构，一种三维拓扑孤子，这种拓扑结构由奥地利数学家海因茨·霍普夫（Heinz Hopf）于1931年首次提出。磁性斯格明子和霍普夫子是拓扑孤子，它们是局域性优异的场组合。由于其独特的类粒子性质，在过去十年中受到了相当大的关注，这使它们成为自旋电子应用的有前途的候选者。斯格明子是一种类似漩涡状弦结构的二维孤子，可以穿透整个样本。霍普夫子是限制在磁性样本体积内的三维孤子，在最简单的情况下可以被认为是呈环形的闭合扭曲斯格明子串。尽管对磁性斯格明子进行了广泛的研究，但直接观察磁性霍普夫子是具有挑战性的，并且仅在合成材料中有报道。

二、【成果掠影】

近日，华南理工大学郑风珊教授（一作兼通讯）、德国于利希研究中心Nikolai S. Kiselev教授和瑞典乌普萨拉大学Filipp N. Rybakov教授等人直接观察晶体中的霍普夫子。在实验中，研究人员使用透射电子显微镜观察了在B20型FeGe板中形成与斯格明子串耦合态的霍普夫子。随后研究人员提供了一个核化这种霍普夫子环的方案，使用洛伦兹成像和电子全息术对其进行了验证。本结果具有高度的可重复性，并且与微磁模拟完全一致。本研究提供了一个统一的斯格明子—霍普夫子同调分类，并深入了解了三维手性磁体中拓扑孤子的多样性。该论文以题为“Hopfion rings in a cubic chiral magnet”发表在知名期刊Nature上。

三、【数据概览】

图1  几何受限FeGe样品中斯格明子串上的霍普夫子环 © 2023 Springer Nature

图2  霍普夫子环随着外加磁场增加的变化 © 2023 Springer Nature

图3  带有霍普夫子环的奇异磁态 © 2023 Springer Nature

图4  带有霍普夫子环的磁性织构的微磁模拟 © 2023 Springer Nature

四、【成果启示】

在本研究中，霍普夫子环的大小比平面内样本的大小小得多，并且霍普夫子环可以在至少两个空间维度上移动。在较厚的样本中，作者推测霍普夫子环也可以在第三空间维度上沿着斯格明子串移动并相互作用。根据经典场论的一般原理，可以理解斯格明子串的Hopf电荷会受到斯格明子的纵向扭曲以及斯格明子扭曲的影响。本发现为研究霍普夫子环的动力学和传输特性开辟了广阔的前景，并将在自旋电子学、神经形态计算和其他技术中得到实际应用。

文献链接：Hopfion rings in a cubic chiral magnet (Nature 2023, 623, 718-723)

本文由大兵哥供稿。