实验室郑风珊教授团队：飞秒激光辅助霍普夫子稳定形核

在凝聚态物理与自旋电子学领域，拓扑磁孤子因独特拓扑结构、稳定性和可操控性而受到关注。其中，三维闭合缠绕的霍普夫子被认为是高密度、低功耗信息器件的重要候选，但其稳定形核与可靠识别仍具有挑战。

近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室郑风珊教授团队联合前沿软物质学院韩宇团队、南开大学付学文团队、华南师范大学侯志鹏团队，并与德国于利希研究中心Nikolai S. Kiselev博士、瑞典乌普萨拉大学Filipp N.Rybakov博士、卢森堡大学Vlad M. Kuchkin博士等理论团队合作，提出利用飞秒激光脉冲在手性磁体FeGe中诱导孤立霍普夫子稳定形核的方法，为三维拓扑磁孤子的光学写入与调控提供了新的实验路径。

霍普夫子是一类三维空间局域的拓扑磁孤子，其自旋构型在赛文空间中形成闭合缠绕。由于自旋结构复杂，仅凭洛伦兹透射电镜中的特殊磁衬度难以直接确认其真实三维构型。为此，研究团队将洛伦兹透射电镜、离轴电子全息技术以及微磁学计算相结合，对实验中观察到的磁孤子进行了系统判定。理论计算首先给出了嵌入螺旋磁背景中的孤立霍普夫子稳定解，并预测其菲涅尔离焦图像应呈现明显的不对称磁衬度。实验观测到的磁衬度与理论结果高度一致。进一步地，团队利用离轴电子全息技术测量了不同倾角下霍普夫子的定量相位分布，并与计算结果逐一比较。结果表明，这种磁孤子在不同倾转条件下表现出具有三维特征的衬度演化规律，为孤立霍普夫子的识别提供了有力证据。

为理解霍普夫子在激光作用下的形核过程，团队计算了体系的最小能量路径。结果表明，霍普夫子可能由斯格明子-反斯格明子对连续转变而来。在这一过程中，体系只需跨越相对较低的能垒。霍普夫子一旦形成，其坍缩或逃逸需要跨越更高的能垒，因此更易稳定存在。飞秒激光脉冲提供的超快非平衡激发，可能促使体系进入霍普夫子态。

图1 （a）孤立霍普夫子的磁构型示意图及其理论菲涅尔离焦电镜图像；（b）原位超快激光洛伦兹透射电镜示意图；（c）超快激光脉冲诱导多种拓扑磁孤子形核

该研究表明，无需样品几何受限或接触式电极，仅借助飞秒激光脉冲即可在手性磁体中写入孤立霍普夫子，为其动力学、光学操控和器件研究提供基础。

相关研究成果以“Laser-induced nucleation of magnetichopfions”为题发表在Nature Physics上，其中通讯作者为Filipp N. Rybakov博士，Nikolai S. Kiselev博士，付学文教授和郑风珊教授，第一作者为陈晓雯博士生。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省量子科学战略专项、广州市基础与应用基础研究计划和小米基金的资助。