十年前，被称为磁性Skyrmions的准粒子发现为微观自旋织构如何使自旋电子学成为可能提供了重要的新线索，自旋电子学是一种利用电子自旋方向而不是电荷来编码数据的新型电子学。尽管科学家们在这个非常年轻的领域取得了巨大的进步，但他们仍然不完全了解如何设计出能够实现超小型、超高速、低功耗器件的自旋电子学材料。

Skyrmions看起来很有希望，但科学家们长期以来一直将Skyrmions仅仅视为二维物体。然而，最近的研究表明，2D Skyrmions实际上可能是3D自旋模式Hopfion的起源。但是还没有人能够通过实验证明纳米尺度上存在磁性Hopfion。

现在，由伯克利实验室共同领导的一个研究小组在《自然通讯》上报道了首次在磁性系统中以纳米尺度（十亿分之一米）展示和观察到的从skyrmions中出现的3D Hopfion。研究人员说，他们的发现预示着在实现高密度、高速、低功耗、超稳定的磁存储设备方面向前迈出了一大步，这种磁存储设备利用了电子自旋的固有能量。

研究人员不仅证明了像3D Hopfion这样复杂的自旋纹理的存在，他们还演示了如何研究和利用它们。根据之前的研究，hopfion与skyrmions不同，当它们在设备上移动时不会漂移，因此是数据技术的优秀候选。此外，英国的理论合作者预测，Hopfion可能从多层2D磁系统中产生。

众所周知，Hopfions和skyrmions在磁性材料中共存，但它们在三维空间有一个特征性的自旋模式。因此，为了区分它们，研究人员使用了两种先进的磁性X射线显微镜技术的组合对hopfions和skyrmions的独特自旋模式进行成像。为了证实他们的观察结果，研究人员随后进行了详细的模拟，以模拟磁性器件内部的2D skyrmons如何在精心设计的多层结构中演化成3D hopfions，以及这些在偏振X射线光成像时将如何出现。

为了了解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一流的研究设施以进一步研究这种准粒子的动力学行为。

责任编辑：侯博