Første eksperimentelle bevis på hopfions i krystaller:Forskning åbner op for ny dimension for fremtidig teknologi

Hopfions, magnetiske spinstrukturer forudsagt for årtier siden, er blevet et varmt og udfordrende forskningsemne i de senere år. I en undersøgelse offentliggjort i Nature , præsenteres det første eksperimentelle bevis af et svensk-tysk-kinesisk forskningssamarbejde.

"Vores resultater er vigtige fra både et grundlæggende og anvendt synspunkt, da der er opstået en ny bro mellem eksperimentel fysik og abstrakt matematisk teori, hvilket potentielt kan føre til, at hopfions finder en anvendelse inden for spintronik," siger Philipp Rybakov, forsker ved Institut for Fysik. og astronomi ved Uppsala Universitet, Sverige.

En dybere forståelse af, hvordan forskellige komponenter i materialer fungerer, er vigtig for udviklingen af ​​innovative materialer og fremtidig teknologi. Forskningsområdet spintronik, for eksempel, der studerer elektroners spin, har åbnet lovende muligheder for at kombinere elektronernes elektricitet og magnetisme til anvendelser som ny elektronik.

Magnetiske skyrmioner og hopfioner er topologiske strukturer - vellokaliserede feltkonfigurationer, der har været et varmt forskningsemne i det sidste årti på grund af deres unikke partikellignende egenskaber, som gør dem til lovende objekter til spintroniske applikationer.

Skyrmioner er todimensionelle, der ligner hvirvellignende strenge, mens hopfioner er tredimensionelle strukturer inden for et magnetisk prøvevolumen, der ligner lukkede, snoede skyrmionstrenge i form af en donut-formet ring i det enkleste tilfælde.

På trods af omfattende forskning i de senere år er direkte observation af magnetiske hopfioner kun blevet rapporteret i syntetisk materiale. Dette nuværende arbejde er det første eksperimentelle bevis på sådanne tilstande stabiliseret i en krystal af B20-type FeGe-plader ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi og holografi.

Resultaterne er meget reproducerbare og i fuld overensstemmelse med mikromagnetiske simuleringer. Forskerne giver en samlet skyrmion-hopfion homotopi klassificering og giver indsigt i mangfoldigheden af ​​topologiske solitoner i tredimensionelle chirale magneter.

Resultaterne åbner nye felter inden for eksperimentel fysik:identifikation af andre krystaller, hvori hopfions er stabile, undersøgelse af, hvordan hopfions interagerer med elektriske strømme og spinstrømme, hopfion-dynamik og mere.

"Da objektet er nyt, og mange af dets interessante egenskaber mangler at blive opdaget, er det vanskeligt at komme med forudsigelser om specifikke spintroniske applikationer. Vi kan dog spekulere i, at hopfions kan være af størst interesse, når man opgraderer til den tredje dimension af næsten enhver teknologi. udvikles med magnetiske skyrmioner:racerbanehukommelse, neuromorfisk databehandling og qubits," forklarer Rybakov.

"Sammenlignet med skyrmioner har hopfions en ekstra grad af frihed på grund af tredimensionalitet og kan derfor bevæge sig i tre i stedet for to dimensioner."

Flere oplysninger: Nikolai Kiselev, Hopfion ringe i en kubisk chiral magnet, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06658-5. www.nature.com/articles/s41586-023-06658-5

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Uppsala Universitet