回国一年，他登上Nature！
米测 技术中心
2023-11-28
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研究背景
磁性斯格明子和hopfions是拓扑孤子，具有良好局域化的场结构，由于其独特的类粒子特性，在过去十年中引起了相当大的关注，这使它们成为自旋电子学应用的有潜力的对象。斯格明子是类似于涡旋弦结构的二维孤子，可以穿透整个样本。Hopfion是限制在磁性样本体积内的三维孤子，可以被视为闭合扭曲的斯格明子弦，在最简单的情况下呈环形。尽管对磁性斯格明子进行了广泛的研究，但直接观察磁性hopfions仍然具有挑战性，且仅在合成材料中进行了报道。2、Hopfions仅通过理论预测，是否真实存在尚不明确场论中闭合扭曲斯格明子弦的概念最初在1975年被提出，被称为hopfion，理论研究预测了手性磁体中存在受限且孤立的hopfions，但仍缺少真实材料中hopfions存在的证据。
新思路
有鉴于此，华南理工郑风珊、德国于利希研究中心Nikolai S. Kiselev和瑞典乌普萨拉大学Filipp N. Rybakov等人使用最先进的透射电子显微镜（TEM）和微磁模拟来证明扭曲的斯格明子弦可以在磁性晶体中弯曲成环，从而导致不同拓扑的出现。作者展示了对晶体中Hopfion的直接观察，观察到hopfion与B20型FeGe板中的斯格明子弦形成耦合态。作者还提供了该hopfion环的成核方案，并使用洛伦兹成像和电子全息术对其进行了验证。本工作报道的结果具有高度可重复性，并且与微磁模拟完全一致。作者提供了统一的斯格明子-Hopfions同伦分类，并深入了解三维手性磁体中拓扑孤子的多样性。1、通过微磁模拟了hopfion环的形成并进行了实验观察作者通过微磁模拟阐明了hopfion环的概念及其成核过程，并在FeGe样品中演示了hopfion环的成核。 作者通过TEM阐明了hopfion环在不断增加的外加磁场中不同构型的演变，表明hopfion环随着施加磁场的增加而收缩，最终会塌缩产生拓扑转变。作者展示了在180 nm厚的样品中获得的具有负和正拓扑电荷的奇异态，观察到围绕斯格明子弦的hopfion环可以具有不同的尺寸。作者通过微磁泛函的直接能量最小化揭示了不同磁纹理的稳定配置，并通过同伦群分析揭示了这些纹理是根据斯格明子-hopfion拓扑电荷进行分类的。作者使用最先进的TEM和微磁模拟证明了扭曲的斯格明子弦可以在磁性晶体中弯曲成环，展示了对晶体中Hopfion的直接观察，提供了Hopfion存在的直接证据。作者报道了与理论预测不同的hopfion稳定机制，表明hopfion显示为斯格明子弦周围的环，且仅由于内在相互作用而不是样本形状而保持稳定。样品的受限几何形状仅在这些hopfion的成核中具有重要作用，并且与其稳定性无关。
作者通过微磁模拟阐明了hopfion环的概念及其成核过程，显示了三个斯格明子弦的初始状态，展示了弱编织效应和沿样品厚度的锥形调制。当磁场交换回正方向会导致边缘调制的出现，进一步增加正方向的场时，在三个斯格明子弦周围形成hopfions环。围绕三个斯格明子弦的hopfions环的中间横截面类似于一个斯格明子袋，区分hopfion环和斯格明子袋的磁性纹理至关重要。按照微磁模拟建议的方案，作者在FeGe样品中演示了hopfion环的成核，在增加外场时，边缘调制的明亮对比度环在两个斯格明子周围收缩。最终状态对应于两个斯格明子弦周围的hopfion环。作者展示了hopfion环成核过程视频。
图 有限几何FeGe样品中斯格明子弦上的Hopfion环
作者阐明了hopfion环在不断增加的外加磁场中不同构型的演变，结果表明hopfion环随着施加磁场的增加而收缩，环内斯格明子之间的距离减小。此外，斯格明子和hopfion环的磁性结构的对称性也会随着施加场的增加而变化，且这种对称跃迁对于增加和减少的场是可逆的。随着磁场的增加，洛伦兹TEM图像中hopfion环的对比度变得更弱，这表明磁调制局部化在更小的体积中。Hopfion环塌陷后，斯格明子之间的距离突然增加。当进一步增加施加的磁场时，它们就会消失。这些包含磁奇点的物体的出现表明，hopfion环的塌缩代表了拓扑转变。
图 随着外加磁场的增加，hopfion环的演化
作者展示了在180 nm厚的样品中获得的具有负和正拓扑电荷的奇异态，观察到围绕斯格明子弦的hopfion环可以具有不同的尺寸，这似乎仅受样本几何形状的限制。随后的观察结果与二维斯格明子袋的理论预测一致，其尺寸也没有限制，展示的洛伦兹TEM理论图像与实验图像非常吻合。
图 具有hopfion环的奇异磁态
作者通过微磁泛函的直接能量最小化获得的相应磁纹理。通过从不同的初始状态开始，发现大多数配置的稳定配置略有不同，展示了具有最低能量的磁性纹理。下图中a、b、d所示的hopfion环位于样品的中间平面。然而，c中，hopfion环稍微向其中一个表面移动，并且还沿着z轴稍微拉伸。在这些情况下，hopfion环在xy平面上的投影磁化强度与内环的磁化强度重叠，导致相应磁性纹理的洛伦兹TEM图像中出现明显的对比度差异。作者通过同伦群分析揭示了这些纹理是根据它们的斯格明子-hopfion拓扑电荷进行分类的，可以用一对有序的整数（Q， H）来表示，这里的hopfion电荷H不仅取决于hopfion环的内在结构，还取决于它们与斯格明子弦的连接。
展望
总之，作者使用TEM和微磁模拟直接观察了Hopfions的形成并提供了hopfion环的成核方案。本工作的研究结果为研究hopfion环的动力学和输运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具有实际应用。Zheng, F., Kiselev, N.S., Rybakov, F.N. et al. Hopfion rings in a cubic chiral magnet. Nature 623, 718–723 (2023).DOI：10.1038/s41586-023-06658-5https://doi.org/10.1038/s41586-023-06658-5
