一种利用超快激光脉冲在磁性材料中“书写”新型拓扑磁结构的方法介绍
2026-04-10 来源:本站 点击次数:150这篇研究论文展示了一种利用超快激光脉冲在磁性材料中“书写”新型拓扑磁结构的方法。研究人员在一种名为Co₈Zn₈Mn₄的手性磁体薄片中，于室温下成功地用飞秒激光脉冲诱导出了两种被称为“双半子”的拓扑磁孤子。结合先进的实时成像技术与微观磁模拟，不仅实现了对双半子产生和密度的精确调控，还揭示了其与另一种经典拓扑结构——斯格明子之间的内在联系与演变规律，为未来利用光操控磁性信息载体提供了全新的方案。
这项重要的研究工作由Kaixin Zhu, Filipp N. Rybakov, Zhan Wang, Wenli Gao, Shuaishuai Sun, Wentao Wang, Jun Li, Huanfang Tian, Olle Eriksson, Huaixin Yang, Ying Zhang, Nikolai S. Kiselev, Zian Li 和 Jianqi Li 共同完成。其研究成果以《Light-induced bimerons in a chiral magnet》为题，于2026年4月在《Nature Communications》期刊上在线发表。
重要发现
本研究的核心贡献在于，首次在实验上利用单一飞秒激光脉冲，于室温环境下，在手性磁体Co₈Zn₈Mn₄薄片中可控地生成了两种拓扑性质不同的布洛赫型双半子，并系统性地探索了其性质、调控手段以及与斯格明子的统一拓扑框架。
实验的关键在于将飞秒激光激发系统与洛伦兹透射电子显微镜相结合。研究团队使用波长为520纳米、脉冲宽度为300飞秒的激光，聚焦照射在厚度为90-200纳米的Co₈Zn₈Mn₄样品上。激光脉冲的能量密度（注量）约为4.77 mJ/cm²，其作用机理主要源于超快的热效应：脉冲在皮秒时间尺度内将样品局部加热至远高于其居里温度（约350K），导致磁化强度发生剧烈扰动和局部反转。在随后的冷却过程中，系统能量耗散，这些纳米尺度的自旋团簇有足够的时间相互作用、合并与重组，最终弛豫并“冻结”成具有长程有序的、拓扑非平庸的自旋纹理，即双半子。这种生成方式独立于初始磁状态，且每次单脉冲激发产生的状态相互独立，展现了激光写入的可重复性与可控性。
02双半子的拓扑分类与磁场调控
通过理论分析和微观磁模拟，研究团队确认了生成的两种稳定双半子的拓扑不变量分别为(1, -1)和(-1, 1)。这两种结构在零磁场下能量等效，会同时出现。然而，即使施加一个相对较弱的外磁场（如±10 mT），也能显著改变它们之间的能量平衡，从而选择性地促进其中一种双半子的成核。例如，在+10 mT的正向外磁场下，(1, -1)型双半子占主导；而在-10 mT的负向场下，则主要生成(-1, 1)型双半子。当磁场增强至约±40 mT时，激光脉冲将只产生单一类型的双半子。更重要的是，双半子的面密度可以通过垂直于样品平面的外磁场强度进行有效调节：密度随磁场增大先升高，在约55 mT处达到峰值，随后逐渐降低，并在约125 mT时，激光无法再诱导产生新的拓扑纹理。这一发现为通过简单物理参数（磁场）动态调控拓扑结构的密度提供了清晰路径。
03双半子结构的厚度无关性与场致形变
研究考察了不同厚度样品（90纳米与140纳米）中激光诱导双半子的行为。结果表明，尽管不同厚度样品的双半子在洛伦兹电镜图像中呈现的衬度有所不同（薄样品中为不对称的月牙形光晕，厚样品中更接近对称的亮环），但通过微观磁模拟解析其三维自旋结构证实，它们本质上是同一种(1, -1)双半子，拓扑性质完全等效。厚样品中更对称的衬度源于双半子结构中两个半子核在厚度方向上的缠绕，导致投影图像被平均化。此外，研究观察到了磁场驱动下双半子可逆的形态演变：随着磁场从0增至250 mT，单个双半子的非对称衬度逐渐向更对称的形状转变，其在欠焦洛伦兹电镜图像中的暗点缩小，周围的亮月牙形光晕减弱。这种形变由塞曼能与磁形状各向异能的竞争所主导。
论文通过实验与模拟，验证了双半子与斯格明子之间存在深刻的拓扑联系。理论预测，在足够高的临界磁场（Bc ≈ 400 mT）下，环绕双半子的锥形磁背景会转变为饱和铁磁态，从而导致双半子转变为斯格明子。微观磁模拟清晰地再现了这一拓扑相变过程：随着磁场增强，背景逐渐变亮（意味着面内磁化分量减小），在400 mT时背景变为纯白色，表明已处于铁磁背景中，此时的双半子已转变为斯格明子。尽管在室温实验中，热涨落使得双半子在达到此临界场前就已湮灭，未能直接观测到完整的转变，但模拟结果与拓扑群同态（Z×Z → Z）的分析完全一致，强有力地证实了这两种看似不同的拓扑磁结构属于一个统一的拓扑框架。这也意味着，以往在许多各向同性手性磁体中被称为“斯格明子”的纹理，更准确的分类应是嵌入锥形背景中的“双半子”。
创新与亮点
本研究的首要突破在于解决了在室温、固态磁体中快速、精准、非接触式生成与操控拓扑磁孤子的难题。传统方法如场冷却难以在薄片样品中产生双半子这类亚稳态，而该工作利用飞秒激光脉冲的超快热淬火效应，成功实现了对双半子的“光学写入”，其时间尺度在皮秒量级，速度远超传统电学或磁场操控方法。
在成像技术层面，研究的亮点是将超快激光激发与实时、实空间的洛伦兹透射电子显微镜成像深度耦合。这种“泵浦-探测”式的联用技术，允许研究人员直接在纳米尺度下可视化激光脉冲后磁结构的动态形成与演化过程，为理解超快激光与磁序相互作用的微观机理提供了不可或缺的视觉证据。实验中对欠焦成像模式的运用，使得具有不同面内磁化分布的双半子和斯格明子呈现出独特的明暗衬度对比，成为区分和识别这些拓扑结构的直接依据。
这项技术所展现的非接触、快速、可重复的局部磁状态改写能力，在光学生物医疗领域具有潜在的应用价值。例如，其原理可启发新型生物相容性磁微粒的光学操控。设想未来若能开发出可在生理环境下被特定波长近红外激光激发的磁性生物探针，借鉴本文中的光控拓扑转变思路，或能实现对标记了磁性纳米颗粒的细胞或生物分子进行高精度、无创的光学靶向与操控，用于药物递送、细胞分选或高分辨率生物成像。此外，该研究揭示的拓扑稳定性与外界场（光、磁）的响应关系，也为设计新型光学响应的生物传感器提供了物理基础，通过检测磁拓扑状态的变化来反映微弱的生物化学信号。总结与展望
本文成功演示了利用飞秒激光脉冲在Co₈Zn₈Mn₄手性磁体中，于室温下可控生成两类双半子拓扑磁纹理。研究通过结合原位洛伦兹电镜成像与微观磁模拟，系统阐明了其拓扑分类、受外磁场调控的密度与形态演化规律，并证实了其与斯格明子同属一个统一的拓扑框架。这项工作为利用光速操纵拓扑自旋结构建立了一种普适的单脉冲方案。
展望未来，在更低温度下研究双半子的场致演化，有望直接观测到其向斯格明子的完整拓扑相变。更重要的是，这项技术将拓扑磁学与超快光学相结合，为开发基于拓扑自旋纹理的、超快、低能耗的信息存储与逻辑运算器件开辟了新的技术路径。其所验证的光学写入与磁场调控的协同作用，也为未来设计多场调控的拓扑自旋电子器件奠定了坚实的实验与理论基础。
论文信息声明：本文仅用作学术目的。
Zhu K, Rybakov FN, Wang Z, Gao W, Sun S, Wang W, Li J, Tian H, Eriksson O, Yang H, Zhang Y, Kiselev NS, Li Z, Li J. Light-induced bimerons in a chiral magnet. Nat Commun. 2026 Apr 1;17(1):3185.
DOI:10.1038/s41467-026-71291-5.