伯克利实验室共同领导的开创性研究对下一代信息技术具有重要意义。

十年前，被称为磁Skyrmion的准粒子的发现为微观自旋纹理如何使自旋电子学（Spintronics）成为可能提供了重要的新线索。自旋电子学是一种新型的电子学，利用电子的自旋方向而不是电荷来编码数据。

尽管科学家们在这个非常年轻的领域取得了巨大的进展，但他们仍然不完全理解如何设计自旋电子学材料，以允许超高速、低功耗的设备。 SkyRmion似乎很有希望，但科学家们长期以来一直将SkyRmion视为2D物体。最近研究表明， 2D SkyRmion实际上可能是一种叫做Hopfion的3D自旋模式的起源。但还没有人能够通过实验证明磁Hopfion存在于纳米尺度上。

现在，由伯克利实验室(Berkeley Lab)联合领导的一个研究小组在《自然通讯》(Nature Communications)上报道了首次在磁系统中以纳米尺度（十亿分之一米）观测天狼星产生的3D跳跃子的演示和观察。研究人员说，他们的发现预示着在实现高密度、高速、低功耗、但超稳定的磁存储器设备方面向前迈出了一大步，这些设备利用了电子自旋的内在力量。

"我们不仅证明了像3D Hopfion的复杂自旋纹理的存在-我们还演示了如何研究和利用它们， "伯克利实验室材料科学部门的资深科学家彼得·菲舍尔(Peter Fischer)说。他也是加州大学圣克鲁兹分校(UC Santa Cruz)物理学副教授。 "要了解Hopfion是如何真正工作的，我们必须知道如何制作和研究它们。这项工作之所以可能，因为我们在伯克利实验室拥有这些令人惊叹的工具，以及我们与世界各地科学家的合作伙伴关系， "他说。

根据之前的研究， Hopfion与Skyrmion不同，在移动设备时不会漂移，因此是数据技术的优秀候选者。此外，英国的理论合作者预测， Hopfion可以从多层2D磁系统中产生。

菲舍尔说，目前的研究是第一个对这些理论进行检验的研究。

诺阿 肯特是加州大学圣克鲁兹分校的物理学博士生，也是伯克利实验室的费舍尔小组的成员，他利用伯克利实验室的分子铸造工具，与分子铸造人员合作，从铱、钴和铂的层中雕刻磁性纳米粒子。

多层材料是由加州大学伯克利分校博士后学者尼尔· 雷诺兹（Neal）和共同资深作者弗朗西斯·赫尔曼（Frances Hellman）的监督下编写的，他拥有加州大学伯克利分校材料科学部高级教师的头衔，也是加州大学伯克利分校物理和材料科学与工程教授。她还领导了能源部的非平衡磁材料（NEMM）项目，该项目支持这项研究。

Hopfion和Skyrmion已知共存于磁性材料中，但它们在三维空间有一个独特的自旋模式。因此，为了将它们区分开来，研究人员使用了两种先进的磁X射线显微镜技术-伯克利实验室同步加速器用户设施先进光源X - PEEM（X射线光发射电子显微镜）和西班牙巴塞罗那同步加速器设施Alba的磁软X射线透射显微镜（MTXM）-来成像Hopfion和Skyrmion的独特自旋模式。

为了证实他们的观察，研究人员随后进行了详细的模拟，以模拟磁性设备内的2D Skyrmion如何在精心设计的多层结构中演变为3D跳跃子，以及当偏振X射线成像时这些跳跃子将如何出现。

Hellman说： "模拟是这一过程中非常重要的一部分，它使我们能够理解实验图像，并设计支持Hopfion 、 Skyrmion或其他设计的3D旋转结构的结构。 "

为了理解Hopfion最终将如何在设备中发挥作用，研究人员计划利用伯克利实验室的独特能力和世界级的研究设施-费舍尔将其描述为"进行这种跨学科工作所必不可少的" ，以进一步研究堂吉诃德准粒子的动态行为。

"长期以来，我们一直知道，即使在相对薄的薄膜中，自旋纹理几乎不可避免地是三维的，但直接成像在实验上一直具有挑战性， "赫尔曼说。 "这里的证据令人兴奋，它为寻找和探索更多奇异和潜在重要的3D自旋结构打开了大门。 "