【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】霍普夫子(hopfion)是一種三維拓撲孤子，其拓撲性可以用霍普夫荷(QH)來描述，其具有精細巧妙的磁結(jié)構(gòu)，因此有望產(chǎn)生新奇的物理現(xiàn)象。霍普夫子可以穩(wěn)定存在于多種物理系統(tǒng)中，不僅與宇宙弦、低能極限楊-米爾斯理論等相關，還和渦旋環(huán)、球形閃電等有趣的物理現(xiàn)象具有一定的關聯(lián)性，因此相關的研究一直受到人們的廣泛關注。然而由于相關模型的復雜性，人們對霍普夫子的基本物理性質(zhì)，尤其是動力學性質(zhì)知之甚少。近有理論預測穩(wěn)定磁性霍普夫子的存在，因此可以進一步研究其在磁性系統(tǒng)中的動力學性質(zhì)。而基本的一種驅(qū)動磁霍普夫子運動的方式便是施加一個電流，通過自旋轉(zhuǎn)移力矩(STT)推動霍普夫子的運動。磁霍普夫子有望成為繼磁斯格明子(skyrmion)之后拓撲自旋電子學領域里的又一個前沿熱點課題。
近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學國家重點實驗室M02課題組博士后劉藝舟、研究員韓秀峰與美國新罕布什爾大學教授臧佳棟和博士侯文濤合作，研究了阻挫磁體中霍普夫子的三維自旋動力學性質(zhì)。因為阻挫磁體中霍普夫子無需人工邊界條件便可以穩(wěn)定存在，因此其三維特性可以被充分地展示出來。該項目研究首先專注于QH=1的霍普夫子，并通過絕熱和非絕熱自旋轉(zhuǎn)移力矩激發(fā)其運動。磁霍普夫子在電流驅(qū)動下展現(xiàn)出豐富的動力學響應，其中包括在相空間中相互糾纏的平移、旋轉(zhuǎn)和縮放運動。同時，其運動模式也與自旋轉(zhuǎn)移力矩的非絕熱系數(shù)緊密相關。基于自旋貝里相位和一般形式Thiele方法給出的動力學方程可以很好地描述霍普夫子的動力學過程。此外，霍普夫子動力學與斯格明子-反斯格明子對動力學之間的唯象描述也展現(xiàn)了不同拓撲磁孤子間跨越維度的動力學聯(lián)系。由于該項研究使用的方法是基于集結(jié)坐標而非包含系統(tǒng)具體自旋相互作用的哈密頓量，因此其還可以用來研究除磁性體系之外霍普夫子的普遍動力學性質(zhì)。同時，還可以期待在具有更大QH的霍普夫子中能夠發(fā)現(xiàn)更加新奇的動力學及輸運現(xiàn)象，這些有趣的動力學過程有可能被應用到未來新型三維自旋電子學材料及其器件物理的研發(fā)之中。相關結(jié)果發(fā)表于《物理評論快報》。
該項研究得到科技部[項目編號2017YFA0206200]、國家自然科學基金委員會[項目基金號51831012，11804380]和中科院前沿科學重點研究計劃[項目編號QYZDJ-SSW-SLH016]等的支持。
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