科學家實現磁斯格明子弦的幾何彎折

[本刊訊] 上海科技大學拓撲物理實驗室張石磊課題組利用極小的溫度梯度實現了對磁斯格明子弦的幾何彎折，為三維拓撲磁結構的調控提供了新的思路。研究基于磁有序體系在有限溫度下的磁振子摩擦效應，構筑了精準的二維溫度場，設計了原位中子散射實驗，在經典的斯格明子體系MnSi中成功實現了三維弦的操控。研究成果于2024年6月7日發表在《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成的渦旋磁結構，其特殊的拓撲幾何構型能夠誘導出一系列層展電磁學效應。斯格明子在第三個維度表現出類似于二類超導磁通的管狀結構。因其在數學形式上體現出與狄拉克弦的等效構型，斯格明子的核心在三維的連接被稱為斯格明子弦。在實驗上實現對弦的幾何彎折具有重要的意義：弦的斷裂能夠產生豐富的三維拓撲奇點，為拓撲缺陷的基礎研究提供了重要的物理載體，同時，弦的彎曲是構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，設計了能讓斯格明子弦彎折的機制。傳統的拓撲磁動力學認為，在線性溫度梯度的驅動下，二維斯格明子在單向磁振子流的驅使下，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，拓撲磁結構沉浸在自旋極化背景之下，溫度梯度誘導的平移對稱破缺產生了環境的磁振子激發。這種環境的dilS+BR2NHjjVfZo2PKU1TsDBsl5Qm/ZNksfZ1BvB14=激發對拓撲磁結構的移動產生了對抗，類似于飛行中的足球受空氣背景產生的摩擦阻力而減速。磁振子摩擦阻力直接導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，將會導致不同層厚的拓撲準粒子偏折角度不同。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，團隊設計了精準的二維溫度梯度場，并實現了在小角中子散射場景下的原位觀測。在經典的斯格明子體系MnSi單晶中成功觀察到由磁振子摩擦效應導致的三維弦的彎折，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，也為三維拓撲磁結構的調控提供了有效手段。

（勇 蘭）