华南理工大学学者首次实验发现磁霍普夫子

中国教育报-中国教育新闻网讯（通讯员 邹浩 记者 刘盾）日前，华南理工大学郑风珊教授联合德国于利希研究中心彼特·格林伯格研究所Nikolai S. Kiselev博士、瑞典乌普萨拉大学 Filipp N. Rybakov博士等学者，首次实验中发现磁霍普夫子（Hopfion）。相关成果以“Hopfion rings in a cubic chiral magnet”为题发表在《自然》（Nature）上。

其中，郑风珊为通讯作者兼第一作者，Nikolai S. Kiselev和Filipp N. Rybakov为共同通讯作者；华南理工大学为第一完成单位。相关工作得到国家自然科学基金和中央高校业务费的支持，也得到了合肥强磁场中心杜海峰研究员课题组的高质量样品支持。

“霍普夫子”以德国数学家海因茨-霍普夫（Heinz Hopf）的名字命名。1962年，英国物理学家托尼-斯凯尔姆（Tony Skyrme）首次提出“拓扑孤子”。2009年，科学家首次在磁体中发现了拓扑孤子，为了纪念 Skyrme，将其称为Skyrmion（斯格明子）。

一般认为，磁斯格明子是由电子自旋在空间上构成的一类二维旋涡状结构，从样品上表面贯穿到下表面，形成了斯格明子弦（String）。理论上，如果把两个末端连接起来，会进一步形成一类三维拓扑磁孤子——磁霍普夫子。但到目前为止，实验上尚未发现强有力的证据表明磁霍普夫子的存在。

该联合团队利用透射电子显微镜磁成像技术和微磁学计算，在立方铁锗合金中观察到了与斯格明子弦耦合的霍普夫子，并提供了诱导产生这类霍普夫子的实验方法，取得了高度可重复的实验结果。该形核方法通过改变外部磁场的方向，同时保证磁场足够弱，以确保斯格明子弦在转换过程中保持完整，也得保证磁场足够强，足以改变样品边缘材料的磁状态；通过来回切换磁场方向，这种边缘调制的闭合磁结构会持续稳定存在，进一步增加磁场强度，形成与斯格明子弦耦合的霍普夫子。

此外，本研究也提供了统一的斯格明子-霍普夫子的同伦（homotopy）分类，并深入探讨了手性磁体中拓扑孤子的多样性。这一突破性发现为未来磁性材料、自旋电子学和非传统计算等领域的发展提供了新思路，也为新型功能器件的设计和开发提供了有力支持。

据介绍，华南理工大学自旋科技研究院以自旋为核心研究对象，从多学科综合交叉的角度，深入研究物质的自旋量子属性，面向国家信息产业重大需求和人民生命健康，研发自旋新材料和新技术，培养国际一流的自旋科技人才。华南理工大学电子显微中心立足于国际科研前沿，专注于“低剂量高分辨成像”“四维扫描透射显微学”等核心研究方向，致力于革新透射电子显微技术。