霍普菲斯（Hopfions）是几十年前就被预言的磁性自旋结构，近年来已成为一个热门和具有挑战性的研究课题。在今天发表于《自然》（Nature）的一项研究中，瑞典、德国和中国的研究合作首次提出了实验证据。

环中的磁自旋方向。资料来源：Philipp Rybakov

瑞典乌普萨拉大学物理和天文学系研究员菲利普-雷巴科夫（Philipp Rybakov）说："我们的研究成果无论从基础角度还是应用角度来看都非常重要，因为在实验物理学和抽象数学理论之间架起了一座新的桥梁，有可能让hopfions在自旋电子学中得到应用。"

深入了解材料不同成分的功能对于开发创新材料和未来技术非常重要。例如，研究电子自旋的自旋电子学（spintronics）研究领域为将电子的电性和磁性结合起来应用于新型电子学等领域开辟了广阔的前景。

实验图像（快照显示了在两个不同的外加磁场值下，180 nm 厚的铁锗板中的霍普菲亚环的过聚焦洛伦兹透射电子显微镜图像）。图片来源：Fengshan Zheng/Forschungszentrum Jülich

Magnetic skyrmions 和 hopfions 是一种拓扑结构--具有良好定位的场构型，在过去十年中一直是热门的研究课题，因为它们具有类似粒子的独特性质，这使它们成为自旋电子应用的前景广阔的对象。Skyrmions是二维的，类似于旋涡状的弦，而hopfions则是磁性样品体积内的三维结构，在最简单的情况下类似于甜甜圈形状的封闭扭曲的Skyrmion弦。

尽管近年来进行了大量研究，但对磁性霍普菲斯的直接观察仅在合成材料中有所报道。目前的这项工作是利用透射电子显微镜和全息技术在 B20 型铁锗板晶体中稳定这种状态的首个实验证据。实验结果具有高度的可重复性，并且与微磁模拟完全一致。研究人员提供了一种统一的skyrmion-hopfion同调分类，并深入揭示了三维手性磁体中拓扑孤子的多样性。

Philipp Rybakov 博士，瑞典乌普萨拉大学物理与天文学系材料理论博士后研究员，通讯作者。图片来源：Ekaterina Dedyukhina

这些发现为实验物理学开辟了新的领域：确定hopfions稳定的其他晶体、研究hopfions如何与电流和自旋电流相互作用、hopfion动力学等。

"由于这个物体是新的，其许多有趣的特性仍有待发现，因此很难对具体的自旋电子应用做出预测。不过，我们可以推测，当几乎所有正在开发的磁性天车技术升级到第三维度时，hopfions可能是最令人感兴趣的，应用领域有：磁畴壁内存、神经形态计算和量子比特（量子信息的基本单位）。"雷巴科夫解释说："与skyrmions相比，hopfions因其三维性而具有额外的自由度，因此可以在三维而非二维空间中运动。