2023年11月22日，华南理工大学郑风珊、德国彼德古莱堡研究所Nikolai S. Kiselev及瑞典乌普萨拉大学 Filipp N. Rybakov共同通讯在
Nature
在线发表题为“
Hopfion rings in a cubic chiral magnet
”的研究论文，
该研究提出了对晶体中光子的直接观察。
拓扑磁孤子是一种局域磁结构，具有与普通粒子相似的性质。
特别是，它们可以在外界刺激的影响下相互作用和移动。手性磁天幕就是这类天体的典型例子。在厚的三维(3D)样品中，skyrmions的磁化矢量场通常形成漩涡状的弦，可以从一个表面穿透整个样品到另一个表面。
这种丝状磁性结构是海森堡交换和Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)之间竞争的结果，已经通过各种实验技术在非中心对称晶体中观察到。最近的研究表明，各向同性手性磁体中的斯基子弦不是刚性结构，而是可以扭曲和弯曲的。
斯基米子弦这种弹性特性的一个突出例子是斯基米子辫的形成——由彼此缠绕的斯基米子弦组成的绳状结构。这里研究人员报告一个完全不同的现象。
使用最先进的透射电子显微镜(TEM)和微磁模拟来显示扭曲的斯基子弦可以在磁性晶体中弯曲成环，从而导致不同拓扑结构的出现。
限制几何FeGe样品中skymion弦上的hopfion环（图源自
Nature
）
场论中闭合扭曲斯基子弦的概念最早是由路德维希·法迪夫在1975年提出的。这种结构现在通常被称为hopfion，以Heinz Hopf命名，他建立了其同伦分类的理论基础。
根据这一理论，局部磁化场构型
m
(
r
) =
m
(
r
) /
M
s
可以根据其纤维的连接{
m
=
m
P
}进行分类，对于单位球S2上的任意不动点
P
，表示R
3
空间中的闭环。
当任意一对这样的环路作为一对链段连接一次时，该字段配置的Hopf索引为1,H = 1，该配置包含一个hopfions 。先前的理论研究已经预测了手性磁体中存在受限和孤立的hopfions。
然而，作者描述的hopfions稳定化机制本质上是不同的。
在实验中，hopfions在skyrmion弦周围呈现环状，并且完全由于内在相互作用而保持稳定，而不是样品形状的结果。试样的受限几何只在这些hopfions 的成核中起重要作用，而与它们的稳定性无关。
为了区分出现在skyrmion弦周围的hopfions 、孤立hopfions 和纳米级多层磁盘中的hopfions ，作者将前者称为hopfions 环。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06658-5
