科學(xué)家實現(xiàn)磁斯格明子弦的幾何彎折

[本刊訊] 上?？萍即髮W(xué)拓撲物理實驗室張石磊課題組利用極小的溫度梯度實現(xiàn)了對磁斯格明子弦的幾何彎折，為三維拓撲磁結(jié)構(gòu)的調(diào)控提供了新的思路。研究基于磁有序體系在有限溫度下的磁振子摩擦效應(yīng)，構(gòu)筑了精準(zhǔn)的二維溫度場，設(shè)計了原位中子散射實驗，在經(jīng)典的斯格明子體系MnSi中成功實現(xiàn)了三維弦的操控。研究成果于2024年6月7日發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。

磁斯格明子是一類由電子自旋在實空間構(gòu)成的渦旋磁結(jié)構(gòu)，其特殊的拓撲幾何構(gòu)型能夠誘導(dǎo)出一系列層展電磁學(xué)效應(yīng)。斯格明子在第三個維度表現(xiàn)出類似于二類超導(dǎo)磁通的管狀結(jié)構(gòu)。因其在數(shù)學(xué)形式上體現(xiàn)出與狄拉克弦的等效構(gòu)型，斯格明子的核心在三維的連接被稱為斯格明子弦。在實驗上實現(xiàn)對弦的幾何彎折具有重要的意義：弦的斷裂能夠產(chǎn)生豐富的三維拓撲奇點，為拓撲缺陷的基礎(chǔ)研究提供了重要的物理載體，同時，弦的彎曲是構(gòu)造全新三維拓撲磁有序相的前提。然而，目前對磁斯格明子的調(diào)控多聚焦于二維的平面移動，在其垂直維度的控制尚缺乏有效手段。

該研究團隊針對這一問題，設(shè)計了能讓斯格明子弦彎折的機制。傳統(tǒng)的拓撲磁動力學(xué)認為，在線性溫度梯度的驅(qū)動下，二維斯格明子在單向磁振子流的驅(qū)使下，一邊向著熱端移動，一邊橫向飄移。然而，最新理論引入了磁振子摩擦阻力的概念。簡單說來，拓撲磁結(jié)構(gòu)沉浸在自旋極化背景之下，溫度梯度誘導(dǎo)的平移對稱破缺產(chǎn)生了環(huán)境的磁振子激發(fā)。這種環(huán)境的dilS+BR2NHjjVfZo2PKU1TsDBsl5Qm/ZNksfZ1BvB14=激發(fā)對拓撲磁結(jié)構(gòu)的移動產(chǎn)生了對抗，類似于飛行中的足球受空氣背景產(chǎn)生的摩擦阻力而減速。磁振子摩擦阻力直接導(dǎo)致不同平均溫度下斯格明子橫向飄移的程度均不相同。因此，如果在一維梯度的垂直方向再分布一層溫度梯度，將會導(dǎo)致不同層厚的拓撲準(zhǔn)粒子偏折角度不同。從整體上看，斯格明子弦受到了彎折的力矩，最終被彎曲。

在實驗上，團隊設(shè)計了精準(zhǔn)的二維溫度梯度場，并實現(xiàn)了在小角中子散射場景下的原位觀測。在經(jīng)典的斯格明子體系MnSi單晶中成功觀察到由磁振子摩擦效應(yīng)導(dǎo)致的三維弦的彎折，并可通過改變溫度梯度分布控制其彎折程度。該成果不僅從實驗上證實了磁振子摩擦阻力的存在，也為三維拓撲磁結(jié)構(gòu)的調(diào)控提供了有效手段。

（勇 蘭）