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400-607-9388

华南理工大学,最新Nature!

2023-11-27
6311

2023年11月22日,华南理工大学郑风珊、德国彼德古莱堡研究所Nikolai S. Kiselev及瑞典乌普萨拉大学 Filipp N. Rybakov共同通讯在Nature在线发表题为“Hopfion rings in a cubic chiral magnet”的研究论文,该研究提出了对晶体中光子的直接观察


该研究使用透射电子显微镜观察了B20型FeGe板中hopfions s与skymion弦形成耦合态的过程。提供了一个成核的协议,并用洛伦兹成像和电子全息验证。该结果具有很高的可重复性,与微磁模拟完全一致。该研究提供了一个统一的skyrion-hopfions 同伦分类,并提供了对三维手性磁体中拓扑孤子多样性的见解。


拓扑磁孤子是一种局域磁结构,具有与普通粒子相似的性质。特别是,它们可以在外界刺激的影响下相互作用和移动。手性磁天幕就是这类天体的典型例子。在厚的三维(3D)样品中,skyrmions的磁化矢量场通常形成漩涡状的弦,可以从一个表面穿透整个样品到另一个表面。这种丝状磁性结构是海森堡交换和Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)之间竞争的结果,已经通过各种实验技术在非中心对称晶体中观察到。


最近的研究表明,各向同性手性磁体中的斯基子弦不是刚性结构,而是可以扭曲和弯曲的。斯基米子弦这种弹性特性的一个突出例子是斯基米子辫的形成——由彼此缠绕的斯基米子弦组成的绳状结构。这里研究人员报告一个完全不同的现象。使用最先进的透射电子显微镜(TEM)和微磁模拟来显示扭曲的斯基子弦可以在磁性晶体中弯曲成环,从而导致不同拓扑结构的出现。


场论中闭合扭曲斯基子弦的概念最早是由路德维希·法迪夫在1975年提出的。这种结构现在通常被称为hopfion,以Heinz Hopf命名,他建立了其同伦分类的理论基础。根据这一理论,局部磁化场构型m(r) = m(r) /Ms可以根据其纤维的连接{m = mP}进行分类,对于单位球S2上的任意不动点P,表示R3空间中的闭环。当任意一对这样的环路作为一对链段连接一次时,该字段配置的Hopf索引为1,H = 1,该配置包含一个hopfions 。


先前的理论研究已经预测了手性磁体中存在受限和孤立的hopfions。然而,作者描述的hopfions稳定化机制本质上是不同的。在实验中,hopfions在skyrmion弦周围呈现环状,并且完全由于内在相互作用而保持稳定,而不是样品形状的结果。试样的受限几何只在这些hopfions 的成核中起重要作用,而与它们的稳定性无关。为了区分出现在skyrmion弦周围的hopfions 、孤立hopfions 和纳米级多层磁盘中的hopfions ,作者将前者称为hopfions 环。


原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-023-06658-5


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