一種利用超快激光脈沖在磁性材料中“書寫”新型拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的方法介紹
這篇研究論文展示了一種利用超快激光脈沖在磁性材料中“書寫”新型拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的方法。研究人員在一種名為Co₈Zn₈Mn₄的手性磁體薄片中，于室溫下成功地用飛秒激光脈沖誘導(dǎo)出了兩種被稱為“雙半子”的拓?fù)浯殴伦�。結(jié)合先進(jìn)的實(shí)時(shí)成像技術(shù)與微觀磁模擬，不僅實(shí)現(xiàn)了對雙半子產(chǎn)生和密度的精確調(diào)控，還揭示了其與另一種經(jīng)典拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——斯格明子之間的內(nèi)在聯(lián)系與演變規(guī)律，為未來利用光操控磁性信息載體提供了全新的方案。
這項(xiàng)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》為題，于2026年4月在《Nature Communications》期刊上在線發(fā)表。
重要發(fā)現(xiàn)
本研究的核心貢獻(xiàn)在于，首次在實(shí)驗(yàn)上利用單一飛秒激光脈沖，于室溫環(huán)境下，在手性磁體Co₈Zn₈Mn₄薄片中可控地生成了兩種拓?fù)湫再|(zhì)不同的布洛赫型雙半子，并系統(tǒng)性地探索了其性質(zhì)、調(diào)控手段以及與斯格明子的統(tǒng)一拓?fù)淇蚣堋?/span>
實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于將飛秒激光激發(fā)系統(tǒng)與洛倫茲透射電子顯微鏡相結(jié)合。研究團(tuán)隊(duì)使用波長為520納米、脈沖寬度為300飛秒的激光，聚焦照射在厚度為90-200納米的Co₈Zn₈Mn₄樣品上。激光脈沖的能量密度（注量）約為4.77 mJ/cm²，其作用機(jī)理主要源于超快的熱效應(yīng)：脈沖在皮秒時(shí)間尺度內(nèi)將樣品局部加熱至遠(yuǎn)高于其居里溫度（約350K），導(dǎo)致磁化強(qiáng)度發(fā)生劇烈擾動(dòng)和局部反轉(zhuǎn)。在隨后的冷卻過程中，系統(tǒng)能量耗散，這些納米尺度的自旋團(tuán)簇有足夠的時(shí)間相互作用、合并與重組，最終弛豫并“凍結(jié)”成具有長程有序的、拓?fù)浞瞧接沟淖孕y理，即雙半子。這種生成方式獨(dú)立于初始磁狀態(tài)，且每次單脈沖激發(fā)產(chǎn)生的狀態(tài)相互獨(dú)立，展現(xiàn)了激光寫入的可重復(fù)性與可控性。
02雙半子的拓?fù)浞诸惻c磁場調(diào)控
通過理論分析和微觀磁模擬，研究團(tuán)隊(duì)確認(rèn)了生成的兩種穩(wěn)定雙半子的拓?fù)洳蛔兞糠謩e為(1, -1)和(-1, 1)。這兩種結(jié)構(gòu)在零磁場下能量等效，會(huì)同時(shí)出現(xiàn)。然而，即使施加一個(gè)相對較弱的外磁場（如±10 mT），也能顯著改變它們之間的能量平衡，從而選擇性地促進(jìn)其中一種雙半子的成核。例如，在+10 mT的正向外磁場下，(1, -1)型雙半子占主導(dǎo)；而在-10 mT的負(fù)向場下，則主要生成(-1, 1)型雙半子。當(dāng)磁場增強(qiáng)至約±40 mT時(shí)，激光脈沖將只產(chǎn)生單一類型的雙半子。更重要的是，雙半子的面密度可以通過垂直于樣品平面的外磁場強(qiáng)度進(jìn)行有效調(diào)節(jié)：密度隨磁場增大先升高，在約55 mT處達(dá)到峰值，隨后逐漸降低，并在約125 mT時(shí)，激光無法再誘導(dǎo)產(chǎn)生新的拓?fù)浼y理。這一發(fā)現(xiàn)為通過簡單物理參數(shù)（磁場）動(dòng)態(tài)調(diào)控拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的密度提供了清晰路徑。
03雙半子結(jié)構(gòu)的厚度無關(guān)性與場致形變
研究考察了不同厚度樣品（90納米與140納米）中激光誘導(dǎo)雙半子的行為。結(jié)果表明，盡管不同厚度樣品的雙半子在洛倫茲電鏡圖像中呈現(xiàn)的襯度有所不同（薄樣品中為不對稱的月牙形光暈，厚樣品中更接近對稱的亮環(huán)），但通過微觀磁模擬解析其三維自旋結(jié)構(gòu)證實(shí)，它們本質(zhì)上是同一種(1, -1)雙半子，拓?fù)湫再|(zhì)完全等效。厚樣品中更對稱的襯度源于雙半子結(jié)構(gòu)中兩個(gè)半子核在厚度方向上的纏繞，導(dǎo)致投影圖像被平均化。此外，研究觀察到了磁場驅(qū)動(dòng)下雙半子可逆的形態(tài)演變：隨著磁場從0增至250 mT，單個(gè)雙半子的非對稱襯度逐漸向更對稱的形狀轉(zhuǎn)變，其在欠焦洛倫茲電鏡圖像中的暗點(diǎn)縮小，周圍的亮月牙形光暈減弱。這種形變由塞曼能與磁形狀各向異能的競爭所主導(dǎo)。
論文通過實(shí)驗(yàn)與模擬，驗(yàn)證了雙半子與斯格明子之間存在深刻的拓?fù)渎?lián)系。理論預(yù)測，在足夠高的臨界磁場（Bc ≈ 400 mT）下，環(huán)繞雙半子的錐形磁背景會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡丸F磁態(tài)，從而導(dǎo)致雙半子轉(zhuǎn)變?yōu)樗垢衩髯�。微觀磁模擬清晰地再現(xiàn)了這一拓?fù)湎嘧冞^程：隨著磁場增強(qiáng)，背景逐漸變亮（意味著面內(nèi)磁化分量減�。�，在400 mT時(shí)背景變?yōu)榧儼咨�，表明已處于鐵磁背景中，此時(shí)的雙半子已轉(zhuǎn)變?yōu)樗垢衩髯�。盡管在室溫實(shí)驗(yàn)中，熱漲落使得雙半子在達(dá)到此臨界場前就已湮滅，未能直接觀測到完整的轉(zhuǎn)變，但模擬結(jié)果與拓?fù)淙和瑧B(tài)（Z×Z → Z）的分析完全一致，強(qiáng)有力地證實(shí)了這兩種看似不同的拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)屬于一個(gè)統(tǒng)一的拓?fù)淇蚣堋＿@也意味著，以往在許多各向同性手性磁體中被稱為“斯格明子”的紋理，更準(zhǔn)確的分類應(yīng)是嵌入錐形背景中的“雙半子”。
創(chuàng)新與亮點(diǎn)
本研究的首要突破在于解決了在室溫、固態(tài)磁體中快速、精準(zhǔn)、非接觸式生成與操控拓?fù)浯殴伦拥碾y題。傳統(tǒng)方法如場冷卻難以在薄片樣品中產(chǎn)生雙半子這類亞穩(wěn)態(tài)，而該工作利用飛秒激光脈沖的超快熱淬火效應(yīng)，成功實(shí)現(xiàn)了對雙半子的“光學(xué)寫入”，其時(shí)間尺度在皮秒量級(jí)，速度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)電學(xué)或磁場操控方法。
在成像技術(shù)層面，研究的亮點(diǎn)是將超快激光激發(fā)與實(shí)時(shí)、實(shí)空間的洛倫茲透射電子顯微鏡成像深度耦合。這種“泵浦-探測”式的聯(lián)用技術(shù)，允許研究人員直接在納米尺度下可視化激光脈沖后磁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)形成與演化過程，為理解超快激光與磁序相互作用的微觀機(jī)理提供了不可或缺的視覺證據(jù)。實(shí)驗(yàn)中對欠焦成像模式的運(yùn)用，使得具有不同面內(nèi)磁化分布的雙半子和斯格明子呈現(xiàn)出獨(dú)特的明暗襯度對比，成為區(qū)分和識(shí)別這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直接依據(jù)。
這項(xiàng)技術(shù)所展現(xiàn)的非接觸、快速、可重復(fù)的局部磁狀態(tài)改寫能力，在光學(xué)生物醫(yī)療領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。例如，其原理可啟發(fā)新型生物相容性磁微粒的光學(xué)操控。設(shè)想未來若能開發(fā)出可在生理環(huán)境下被特定波長近紅外激光激發(fā)的磁性生物探針，借鑒本文中的光控拓?fù)滢D(zhuǎn)變思路，或能實(shí)現(xiàn)對標(biāo)記了磁性納米顆粒的細(xì)胞或生物分子進(jìn)行高精度、無創(chuàng)的光學(xué)靶向與操控，用于藥物遞送、細(xì)胞分選或高分辨率生物成像。此外，該研究揭示的拓?fù)浞�(wěn)定性與外界場（光、磁）的響應(yīng)關(guān)系，也為設(shè)計(jì)新型光學(xué)響應(yīng)的生物傳感器提供了物理基礎(chǔ)，通過檢測磁拓?fù)錉顟B(tài)的變化來反映微弱的生物化學(xué)信號(hào)。總結(jié)與展望
本文成功演示了利用飛秒激光脈沖在Co₈Zn₈Mn₄手性磁體中，于室溫下可控生成兩類雙半子拓?fù)浯偶y理。研究通過結(jié)合原位洛倫茲電鏡成像與微觀磁模擬，系統(tǒng)闡明了其拓?fù)浞诸悺⑹芡獯艌稣{(diào)控的密度與形態(tài)演化規(guī)律，并證實(shí)了其與斯格明子同屬一個(gè)統(tǒng)一的拓?fù)淇蚣堋＿@項(xiàng)工作為利用光速操縱拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)建立了一種普適的單脈沖方案。
展望未來，在更低溫度下研究雙半子的場致演化，有望直接觀測到其向斯格明子的完整拓?fù)湎嘧儭８匾氖牵@項(xiàng)技術(shù)將拓?fù)浯艑W(xué)與超快光學(xué)相結(jié)合，為開發(fā)基于拓?fù)渥孕y理的、超快、低能耗的信息存儲(chǔ)與邏輯運(yùn)算器件開辟了新的技術(shù)路徑。其所驗(yàn)證的光學(xué)寫入與磁場調(diào)控的協(xié)同作用，也為未來設(shè)計(jì)多場調(diào)控的拓?fù)渥孕娮悠骷於藞?jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)與理論基礎(chǔ)。
論文信息聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)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.
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