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          華南理工大學學者首次實驗發現磁霍普夫子

          發布時間:2023-11-28 作者:鄒浩 劉盾 來源:中國教育新聞網

          中國教育報-中國教育新聞網訊(通訊員 鄒浩 記者 劉盾)日前,華南理工大學鄭風珊教授聯合德國于利希研究中心彼特·格林伯格研究所Nikolai S. Kiselev博士、瑞典烏普薩拉大學 Filipp N. Rybakov博士等學者,首次實驗中發現磁霍普夫子(Hopfion)。相關成果以“Hopfion rings in a cubic chiral magnet”為題發表在《自然》(Nature)上。

          其中,鄭風珊為通訊作者兼第一作者,Nikolai S. Kiselev和Filipp N. Rybakov為共同通訊作者;華南理工大學為第一完成單位。相關工作得到國家自然科學基金和中央高校業務費的支持,也得到了合肥強磁場中心杜海峰研究員課題組的高質量樣品支持。

          “霍普夫子”以德國數學家海因茨-霍普夫(Heinz Hopf)的名字命名。1962年,英國物理學家托尼-斯凱爾姆(Tony Skyrme)首次提出“拓撲孤子”。2009年,科學家首次在磁體中發現了拓撲孤子,為了紀念 Skyrme,將其稱為Skyrmion(斯格明子)。

          一般認為,磁斯格明子是由電子自旋在空間上構成的一類二維旋渦狀結構,從樣品上表面貫穿到下表面,形成了斯格明子弦(String)。理論上,如果把兩個末端連接起來,會進一步形成一類三維拓撲磁孤子——磁霍普夫子。但到目前為止,實驗上尚未發現強有力的證據表明磁霍普夫子的存在。

          該聯合團隊利用透射電子顯微鏡磁成像技術和微磁學計算,在立方鐵鍺合金中觀察到了與斯格明子弦耦合的霍普夫子,并提供了誘導產生這類霍普夫子的實驗方法,取得了高度可重復的實驗結果。該形核方法通過改變外部磁場的方向,同時保證磁場足夠弱,以確保斯格明子弦在轉換過程中保持完整,也得保證磁場足夠強,足以改變樣品邊緣材料的磁狀態;通過來回切換磁場方向,這種邊緣調制的閉合磁結構會持續穩定存在,進一步增加磁場強度,形成與斯格明子弦耦合的霍普夫子。

          此外,本研究也提供了統一的斯格明子-霍普夫子的同倫(homotopy)分類,并深入探討了手性磁體中拓撲孤子的多樣性。這一突破性發現為未來磁性材料、自旋電子學和非傳統計算等領域的發展提供了新思路,也為新型功能器件的設計和開發提供了有力支持。

          據介紹,華南理工大學自旋科技研究院以自旋為核心研究對象,從多學科綜合交叉的角度,深入研究物質的自旋量子屬性,面向國家信息產業重大需求和人民生命健康,研發自旋新材料和新技術,培養國際一流的自旋科技人才。華南理工大學電子顯微中心立足于國際科研前沿,專注于“低劑量高分辨成像”“四維掃描透射顯微學”等核心研究方向,致力于革新透射電子顯微技術。

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