十年前，被稱為磁性Skyrmions的準(zhǔn)粒子發(fā)現(xiàn)為微觀自旋織構(gòu)如何使自旋電子學(xué)成為可能提供了重要的新線索，自旋電子學(xué)是一種利用電子自旋方向而不是電荷來編碼數(shù)據(jù)的新型電子學(xué)。盡管科學(xué)家們在這個非常年輕的領(lǐng)域取得了巨大的進(jìn)步，但他們?nèi)匀徊煌耆私馊绾卧O(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)超小型、超高速、低功耗器件的自旋電子學(xué)材料。
Skyrmions看起來很有希望，但科學(xué)家們長期以來一直將Skyrmions僅僅視為二維物體。然而，最近的研究表明，2D Skyrmions實(shí)際上可能是3D自旋模式Hopfion的起源。但是還沒有人能夠通過實(shí)驗(yàn)證明納米尺度上存在磁性Hopfion。
現(xiàn)在，由伯克利實(shí)驗(yàn)室共同領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組在《自然通訊》上報道了首次在磁性系統(tǒng)中以納米尺度（十億分之一米）展示和觀察到的從skyrmions中出現(xiàn)的3D Hopfion。研究人員說，他們的發(fā)現(xiàn)預(yù)示著在實(shí)現(xiàn)高密度、高速、低功耗、超穩(wěn)定的磁存儲設(shè)備方面向前邁出了一大步，這種磁存儲設(shè)備利用了電子自旋的固有能量。
研究人員不僅證明了像3D Hopfion這樣復(fù)雜的自旋紋理的存在，他們還演示了如何研究和利用它們。根據(jù)之前的研究，hopfion與skyrmions不同，當(dāng)它們在設(shè)備上移動時不會漂移，因此是數(shù)據(jù)技術(shù)的優(yōu)秀候選。此外，英國的理論合作者預(yù)測，Hopfion可能從多層2D磁系統(tǒng)中產(chǎn)生。
眾所周知，Hopfions和skyrmions在磁性材料中共存，但它們在三維空間有一個特征性的自旋模式。因此，為了區(qū)分它們，研究人員使用了兩種先進(jìn)的磁性X射線顯微鏡技術(shù)的組合對hopfions和skyrmions的獨(dú)特自旋模式進(jìn)行成像。為了證實(shí)他們的觀察結(jié)果，研究人員隨后進(jìn)行了詳細(xì)的模擬，以模擬磁性器件內(nèi)部的2D skyrmons如何在精心設(shè)計(jì)的多層結(jié)構(gòu)中演化成3D hopfions，以及這些在偏振X射線光成像時將如何出現(xiàn)。
為了了解Hopfion最終將如何在設(shè)備中發(fā)揮作用，研究人員計(jì)劃利用伯克利實(shí)驗(yàn)室的獨(dú)特能力和世界一流的研究設(shè)施以進(jìn)一步研究這種準(zhǔn)粒子的動力學(xué)行為。
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