На рисунке показаны направления магнитных спинов в хопфионном кольце.
Фото: Филипп Рыбаков, Уппсальский университет.

Хопфионы, магнитные спиновые структуры, предсказанные десятилетия назад, в последние годы стали горячей и сложной темой исследований. В исследовании, опубликованном в журнале Nature, первые экспериментальные данные представлены шведско-немецко-китайским исследовательским сотрудничеством.

«Наши результаты важны как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения, поскольку между экспериментальной физикой и абстрактной математической теорией возник новый мост, который потенциально может привести к надеждам найти применение в спинтронике», — говорит Филипп Рыбаков, научный сотрудник кафедры физики. и астрономия в Уппсальском университете, Швеция.

Более глубокое понимание того, как функционируют различные компоненты материалов, важно для разработки инновационных материалов и технологий будущего. Например, область исследований спинтроники, изучающая вращение электронов, открыла многообещающие возможности объединить электричество и магнетизм электронов для таких приложений, как новая электроника.

Магнитные скирмионы и хопфионы представляют собой топологические структуры — хорошо локализованные конфигурации полей, которые стали горячей темой исследований в течение последнего десятилетия из-за их уникальных частицоподобных свойств, которые делают их перспективными объектами для приложений спинтроники.

Скирмионы представляют собой двумерные, напоминающие вихревые струны, а хопфионы представляют собой трехмерные структуры внутри объема магнитного образца, напоминающие замкнутые, скрученные струны скирмионов, имеющие в простейшем случае форму бублика.

Несмотря на обширные исследования последних лет, о прямом наблюдении магнитных образований сообщалось только в синтетических материалах. Данная работа является первым экспериментальным подтверждением таких состояний, стабилизированных в кристалле пластин FeGe типа B20 с помощью просвечивающей электронной микроскопии и голографии.

Результаты имеют высокую воспроизводимость и полностью согласуются с микромагнитным моделированием. Исследователи предлагают единую классификацию гомотопий скирмиона -хопфиона и дают представление о разнообразии топологических солитонов в трехмерных киральных магнитах.

Экспериментальные изображения (снимки, показывающие перефокусированное лоренцевское изображение трансмиссионного электронного микроскопа хопфионного кольца в пластине FeGe толщиной 180 нм при двух разных значениях приложенного магнитного поля).
Фото: Фэншань Чжэн/Forschungszentrum Jülich.

Полученные результаты открывают новые области экспериментальной физики: идентификацию других кристаллов, в которых хопфионы стабильны, изучение того, как хопфионы взаимодействуют с электрическими и спиновыми токами, динамику хопфионов и многое другое.

«Поскольку объект новый и многие его интересные свойства еще предстоит открыть, трудно делать прогнозы относительно конкретных применений спинтроники. Однако мы можем предположить, что хопфионы могут представлять наибольший интерес при переходе к третьему измерению практически любой технологии разрабатываются с использованием магнитных скирмионов: беговая память, нейроморфные вычисления и кубиты», — объясняет Рыбаков.

«По сравнению со скирмионами, хопфионы обладают дополнительной степенью свободы благодаря трехмерности и, таким образом, могут двигаться в трех, а не в двух измерениях».