霍普菲斯（Hopfions）是個幾十年前被預言的磁性自旋結構，近年來已成為一個熱門且具有挑戰性的研究主題。在今天發表於《自然》（Nature）的一項研究中，瑞典、德國和中國的研究合作首次提出了實驗證據。

環中的磁自旋方向。資料來源：Philipp Rybakov

瑞典烏普薩拉大學物理和天文學系研究員菲利普-雷巴科夫（Philipp Rybakov）說：”我們的研究成果無論從基礎角度還是應用角度來看都非常重要，因為在實驗物理學和抽象數學理論之間架起了一座新的橋樑，有可能讓hopfions在自旋電子學中得到應用。”

深入了解材料不同成分的功能對於開發創新材料和未來技術非常重要。例如，研究電子自旋的自旋電子學（spintronics）研究領域為將電子的電性和磁性結合起來應用於新型電子學等領域開闢了廣闊的前景。

實驗圖像（快照顯示了在兩個不同的外加磁場值下，180 nm 厚的鐵鍺板中的霍普菲亞環的過聚焦洛倫茲透射電子顯微鏡圖像）。圖片來源：Fengshan Zheng/Forschungszentrum Jülich

Magnetic skyrmions 和hopfions 是一種拓撲結構–具有良好定位的場構型，在過去十年中一直是熱門的研究課題，因為它們具有類似粒子的獨特性質，這使它們成為自旋電子應用的前景廣闊的對象。Skyrmions是二維的，類似於旋渦狀的弦，而hopfions則是磁性樣品體積內的三維結構，在最簡單的情況下類似於甜甜圈形狀的封閉扭曲的Skyrmion弦。

儘管近年來進行了大量研究，但對磁性霍普菲斯的直接觀察僅在合成材料中有所報導。目前的工作是利用透射電子顯微鏡和全像技術在B20 型鐵鍺板晶體中穩定這種狀態的首個實驗證據。實驗結果具有高度的可重複性，並且與微磁模擬完全一致。研究人員提供了一種統一的skyrmion-hopfion同調分類，並深入揭示了三維手性磁鐵中拓撲孤子的多樣性。

Philipp Rybakov 博士，瑞典烏普薩拉大學物理與天文學系材料理論博士後研究員，通訊作者。圖片來源：Ekaterina Dedyukhina

這些發現為實驗物理學開啟了新的領域：確定hopfions穩定的其他晶體、研究hopfions如何與電流和自旋電流相互作用、hopfion動力學等。

“由於這個物體是新的，其許多有趣的特性仍有待發現，因此很難對具體的自旋電子應用做出預測。不過，我們可以推測，當幾乎所有正在開發的磁性天車技術升級到第在三維度時，hopfions可能是最令人感興趣的，應用領域有：磁疇壁記憶體、神經形態計算和量子位元（量子資訊的基本單位）。”雷巴科夫解釋：”與skyrmions相比，hopfions因其三維性而具有額外的自由度，因此可以在三維而非二維空間中運動。