Hopfions, magnetiska spinnstrukturer som förutspåddes för decennier sedan, har blivit ett hett och utmanande forskningsämne de senaste åren. I en studie publicerad i Nature , presenteras det första experimentella beviset av ett svenskt-tyskt-kinesiskt forskningssamarbete.
"Våra resultat är viktiga ur både grundläggande och tillämpad synvinkel, eftersom en ny bro har vuxit fram mellan experimentell fysik och abstrakt matematisk teori, vilket potentiellt leder till att hopfions hittar en tillämpning inom spintronik", säger Philipp Rybakov, forskare vid Fysiska institutionen. och astronomi vid Uppsala universitet.
En djupare förståelse för hur olika komponenter i material fungerar är viktig för utvecklingen av innovativa material och framtida teknik. Forskningsområdet spintronik, till exempel, som studerar elektroners spinn, har öppnat lovande möjligheter att kombinera elektronernas elektricitet och magnetism för tillämpningar som ny elektronik.
Magnetiska skyrmioner och hopfioner är topologiska strukturer – vällokaliserade fältkonfigurationer som har varit ett hett forskningsämne under det senaste decenniet på grund av deras unika partikelliknande egenskaper, vilket gör dem till lovande objekt för spintroniska tillämpningar.
Skyrmioner är tvådimensionella, som liknar virvelliknande strängar, medan hopfioner är tredimensionella strukturer inom en magnetisk provvolym som liknar slutna, tvinnade skyrmionsträngar i form av en munkformad ring i det enklaste fallet.
Trots omfattande forskning de senaste åren har direkt observation av magnetiska hopfioner endast rapporterats i syntetiskt material. Detta aktuella arbete är det första experimentella beviset på sådana tillstånd stabiliserade i en kristall av FeGe-plattor av B20-typ med hjälp av transmissionselektronmikroskopi och holografi.
Resultaten är mycket reproducerbara och i full överensstämmelse med mikromagnetiska simuleringar. Forskarna tillhandahåller en enhetlig skyrmion-hopfion-homotopiklassificering och ger insikt i mångfalden av topologiska solitoner i tredimensionella kirala magneter.
Fynden öppnar upp nya fält inom experimentell fysik:identifiera andra kristaller där hopfions är stabila, studera hur hopfions interagerar med elektriska strömmar och spinnströmmar, hopfions dynamik och mer.
"Eftersom objektet är nytt och många av dess intressanta egenskaper återstår att upptäcka, är det svårt att göra förutsägelser om specifika spintroniska tillämpningar. Vi kan dock spekulera i att hopfions kan vara av störst intresse när man uppgraderar till den tredje dimensionen av nästan vilken teknik som helst. utvecklas med magnetiska skyrmioner:racerbaneminne, neuromorfisk beräkningar och qubits", förklarar Rybakov.
"Jämfört med skyrmioner har hopfions en extra grad av frihet på grund av tredimensionalitet och kan därför röra sig i tre snarare än två dimensioner."
Mer information: Nikolai Kiselev, Hopfion ringar i en kubisk kiral magnet, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06658-5. www.nature.com/articles/s41586-023-06658-5
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Uppsala universitet
