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(Q H)來描述，其具有精細巧妙的磁結構，因此有望產生新奇的物理現象。霍普夫子可以穩定存在於多種物理系統中，不僅與宇宙弦、低能極限楊-米爾斯理論等相關，還和渦旋環、球形閃電等有趣的物理現象具有一定的關聯性，因此相關的研究一直受到人們的廣泛關注。然而由於相關模型的複雜性，人們對霍普夫子的基本物理性質，尤其是動力學性質知之甚少。最近有理論預測穩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中的動力學性質。而最基本的一種驅動磁霍普夫子運動的方式便是施加一個電流，通過自旋轉移力矩(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)之後拓撲自旋電子學領域裡的又一個前沿熱點課題。
圖1. QH=1磁霍普夫子的自旋結構，初始態下，其中心環面與xy面重合。(a)為Sz=0的等自旋面集合，構成一個環面。(b)和(c)分別為霍普夫子在xy中心切面和yz中心切面內的自旋結構。
最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學國家重點實驗室M02課題組的劉藝舟博士後、韓秀峰研究員與美國新罕布什爾大學的臧佳棟教授和侯文濤博士合作，研究了阻挫磁體中霍普夫子的三維自旋動力學性質。因為阻挫磁體中霍普夫子無需人工邊界條件便可以穩定存在，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於QH=1的霍普夫子，並通過絕熱和非絕熱自旋轉移力矩激發其運動。磁霍普夫子在電流驅動下展現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、旋轉和縮放運動。同時，其運動模式也與自旋轉移力矩的非絕熱係數緊密相關。基於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的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了不同拓撲磁孤子間跨越維度的動力學聯繫。由於該項研究使用的方法是基於集結座標而非包含系統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。同時，還可以期待在具有更大QH的霍普夫子中能夠發現更加新奇的動力學及輸運現象，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之中[Three-Dimensional Dynamics of a Magnetic Hopfion Driven by Spin Transfer Torque, Y. Z. Liu, W. T. Hou, X. F. Han, and J. D. Zang,Phys. Rev. Lett. 124 (2020) 127204]。
圖2. 磁霍普夫子相互糾纏的橫向平移、縱向平移[(a), (b)]、旋轉[(c), (d)]和縮放運動(e)。(f)斯格明子-反斯格明子對與霍普夫子動力學間的聯繫。
該項研究得到了科技部[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]等有關項目的支持。
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