磁性材料中的结可能为下一代计算架构的扩展提供了一个新的方向。为此，研究人员现在创造了一种新型的磁性结，看起来像是一种被磁化的肉桂捻。这个同样的磁性结嵌在磁性材料中，有点像电子空穴嵌入在半导体晶格中，这可能是打破当今计算所陷入的二维平面的因素之一。
在数学中，拓扑学领域研究形状和形状中的洞——篮球没有洞，在拓扑上与足球相同，但与呼啦圈不同，它只有一个洞。拓扑特性因其健壮性而引人注目：你不可能把足球变成呼啦圈而不对其施加暴力。在实际材料中，拓扑可以用来描述磁化的形状。当晶体中的磁矩扭曲成拓扑复杂的结时，它们就不容易解开，这使得它们成为非常稳定的潜在信息或数据存储载体。现在，德国、中国和瑞典的研究人员在一种材料中创造了一种新型的磁性结，这种材料不像以前的拓扑扭曲，可以在所有三维空间中移动。
“如果我们展望未来，很可能在某种程度上使我们的设备成为最高效的，我们将不得不转向三维架构。这就是我们在论文中所做的发现可能变得有用的地方。”
-尼古拉·基塞列夫（Nikolai Kiselev），彼得·格林伯格研究所（Peter Grünberg Institute），德国尤利奇
“在过去的几十年里，电子学基本上是在二维系统的范式中发展起来的，”他说尼古拉·基塞列夫，德国于利希Peter Grünberg研究所的科学家。“从某种角度来看，这是绝对合理的，因为从技术上来说，制造和维护这样的设备要容易得多。但如果我们展望未来，很可能在某种程度上使我们的设备成为最高效的，我们将不得不转向三维架构。这就是我们的发现所在我们论文中的ade可能会有用。”
Kiselev说，尽管他和他的合作者几十年来一直在研究材料内部的磁性曲折，但他们的发现还是令人惊讶。这种拓扑激励称为斯格明子在多种材料中观察到。当磁场刺穿某些材料的磁盘时，会出现天狼星。它们类似于样品中原子磁矩的漩涡，从磁盘底部一直到顶部，就像无法解开的螺旋线。这些有引起注意他们的计算潜力。但是，由于它们的线状性质，它们只能在两个维度上移动。
该团队想创造一种被称为skyrmion bag-a的东西圆柱形skyrmion中间有一个洞，可能会把自己包裹在其他常规的突击队员周围。相反，他们创造了完全不同的东西——hopfion。霍普菲翁并没有从样品的顶部到底部伸展，而是靠在自己身上，就像一个横向的漩涡，把自己扭曲成一个甜甜圈。由于它们的结构，霍普菲翁不仅可以左右移动，还可以上下移动。霍普菲昂已经在理论上被预测，但它们只是被创造出来的在一种特殊的合成材料中。这是它们第一次出现在普通水晶中。
研究人员在一种称为skyrmion的铁锗晶体中发现了磁性结构，其中包括一个固有的3D物体，称为hopfion，围绕着三个skyrmions（右）。Forschungszentrum Jülich/自然
这种晶体是铁锗，之所以选择它，是因为它具有两种理想的特性。一方面，铁锗中的原子具有磁矩，倾向于与相邻原子对齐。另一方面，晶体本身的结构会激发磁矩相对于其邻域旋转。这两种效果的相互作用使得有趣的磁结可以在不同的条件下弹出。
只要将铁锗置于磁场中，就会在材料中产生大量杂质。然而，为了获得冠军，球队不得不进行一些细致的磁性体操。他们打开一个指向上的小磁场，然后转向一个指向下的更小的磁场，然后再向上，增加到原来的值。结果并不是预期中的skyrmion包，而是一个3D hopfion环，围绕着几个skyrmions。
由于skyrmion与传统存储设备相比非常小，因此磁性扭曲也可能成为高密度存储设备的基础。
人们可能很难将注意力集中在hopfion结上，但它们的行为基本上就像粒子一样，在物质中移动时保持着奇怪的形状。基塞列夫说，他们可以被刺激沿着天龙弦上下移动，而不会损失任何能量。而且，天空粒子可以被诱导在二维空间中移动，并拖曳着hopfion粒子。
Skyrmion被提议作为所谓的赛马场建筑通过将skyrmion从赛道的一个边缘移动到另一个边缘，可以存储和传输单个信息位。由于skyrmion与传统存储设备相比非常小，因此磁性扭曲也可能成为高密度存储设备的基础。其他建议包括使用skyrmion到达特定门的时间来同时编码多个信息位，这可能对神经计算由于hopfion在3D中移动，它们可能会在多个轴上对其位置或到达时间中的多个信息位进行编码。此外，hopfion可能不会像skyrmion一样存在技术缺陷。
“我们在将Skyrmion应用于技术应用方面遇到困难的原因之一是skyrmion霍尔效应”哈努·阿拉瓦说，阿贡国家实验室的一名科学家，他没有参与这项工作。“这种效应使得沿着直线驱动天敌变得非常困难。这种效应在霍普菲翁中是不可预期的，这意味着我们可以将霍普菲昂从a点直线发送到B点。因此，可以想象一种新的基于大脑的计算，可能需要霍普菲恩从一个位置移动到另一个位置。”
虽然hopfion很容易移动，但其计算潜力的其他方面仍不确定。团队使用透射电子显微镜对hopfion进行成像并更有效地测量其位置是一个突出的问题。该团队表示，他们计划研究这些物体对电流的反应，这有助于检测和跟踪它们。此外，关于hopfion编码信息的确切方式的详细信息仍然是一个悬而未决的问题。
Kiselev补充道，尽管如此，许多像这样的问题还没有答案，因为没有理由问他们。“我们之前甚至没有想过这种物体，它非常、非常新鲜，在某种程度上对我们来说也非常令人惊讶，充满了一些神秘和未知的问题。”Arava同意这一观点：“我们必须将这一结果视为第一步，因为还有很多悬而未决的问题。然而，这一发现打开了3D磁性物体的世界。”
研究人员发表了他们的工作杂志上个月自然。
这篇文章发表在2024年3月的印刷版上，名为“磁性结可以开辟3D计算的新途径”
