左图：使用微磁模拟和在过焦状态下模拟的相应模拟洛伦兹TEM图像预测的Skyrmion-antiskyrmion对。等值面对应于位于薄膜平面中的磁化矢量的位置。颜色表示平面中磁化矢量的方向。右图：在与模拟图像相同的条件下记录的天文-反天冬令对的实验洛伦兹透射电镜图像。亮点和黑点分别对应于天文和反天泡。图片来源：郑先生等

匹配的粒子和反粒子是具有相同质量但电荷相反的物质的小单位。通常，这些具有相反电荷的物质单位倾向于相互湮灭。

研究预测，在具有相反拓扑电荷的磁孤子中也应该观察到相同的行为。磁孤子或孤立波是局部自旋纹理，在以恒定速度传播时保持其形状，可以通过其拓扑电荷Q来区分。

基于理论预测，Q值相反的磁孤子应不断合并并湮灭自身。这包括天空粒子和反天痕，旋转的拓扑磁性纹理，在磁铁中实现为涌现粒子。

德国Forschungszentrum Jülich和JARA的研究人员与瑞典KTH斯德哥尔摩和乌普萨拉大学合作，最近进行了首批旨在测试这些预测的实验之一。他们发表在《自然物理学》杂志上的论文展示了立方体手性磁铁中天阶-反天冬对的产生和湮灭。

“在过去的几年里，我们深入研究了手性磁铁中的磁性孤子，目的是揭示它们的粒子状性质，”进行这项研究的研究人员之一Nikolai Kiselev告诉 Phys.org。“这些材料中最着名的孤子类型是磁性手性天蝎座。我们在研究FeGe的特定合金方面积累了丰富的经验，这是具有B20型晶体结构的丰富手性磁铁家族的代表性例子。

最初，Kiselev和他的同事们开始观察Skyrmion袋 - 具有任意拓扑电荷的奇异磁性孤子，这在之前的理论工作中已经预测过。在这个实验中，研究人员制造了立方手性磁铁FeGe的超薄薄膜。

然而，在进行实验时，研究人员揭示了其他有趣的现象，他们最终发现这些现象与天文反粒子有关。在他们的新研究中，他们使用了一种称为透射电子显微镜（TEM）的技术，这是最成熟的技术，用于对厚度达几百纳米的样品中的磁性纹理进行原位观察和成像。

“穿过样品的入射电子束与样品中磁化的局部变化引起的磁场相互作用，允许以纳米空间分辨率记录磁对比度，”Kiselev解释说。“天文子和反天泡子的明显磁性对比使我们能够区分这些粒子，以及它们的产生和湮灭过程。

正如研究人员所解释的那样，成功观察反榷射蛋白背后的关键因素之一是它们使用非常薄和高质量的FeGe板（即厚度仅为70nm的1μm x 1μm方形板）。该样品是使用一种称为聚焦离子束铣削的技术制备的。

样品的形状很重要，它增强了样品边缘“封闭”域壁的形成。后者是在应用于外部磁场样品下反榷基元成核的先决条件。

“在我们工作之前，人们普遍认为天文和反天基介子不能在立方手性磁铁中共存，”Kiselev说。“然而，我们的理论和实验工作证明，这确实是可能的。天文和反天泡可以在很宽的温度范围内共存的可能性和施加的磁场在早期的理论研究中被忽视了，包括我们自己的理论研究。

这个研究小组收集的发现可以激发对不同拓扑电荷和对称性的磁孤子的更多研究，这在以前是未知的。在未来，这种粒子状态的多样性可能为在自旋电子器件中使用磁性孤子的新策略铺平道路。

然而，为了探索这些策略，研究人员首先需要对磁性孤子的物理性质进行系统研究，并找到或合成在环境条件下存在磁孤子的新材料。

“我们的工作表明，到目前为止，实验中尚未观察到的孤子种类繁多，”Kiselev补充道。“我们现在计划找到一种可靠的协议来收集奇异孤子的实验观察结果，例如skyrmion袋和其他被称为hopfions的三维孤子。初步研究表明，在FeGe和该类的其他材料中观察这种奇异的孤子应该是可行的。

更多信息：Fengshan Zheng等人，立方体手性磁铁中的Skyrmion-antiskyrmion对的产生和湮灭，Nature Physics（2022）。DOI： 10.1038/s41567-022-01638-4

Filipp N. Rybakov等人，具有任意拓扑电荷的手性磁性天文，物理评论B（2019）。DOI： 10.1103/PhysRevB.99.064437

期刊信息： 自然物理 ， 物理评论B