中国团队攻克自旋电子学世界级难题头条新闻

磁涡旋的螺旋度，是一种比头发丝细数万倍的纳米级磁性结构中，自旋旋转的方向。

改变它，历来是自旋电子学领域公认的世界级难题。南开大学付学文教授团队联合国内外多家机构，用一道飞秒激光脉冲，在皮秒尺度（万亿分之一秒量级）内实现了这一精准翻转，相关成果发表于国际顶级期刊《自然·纳米技术》。

这项突破历经八年深耕，或将为下一代高速存储、神经形态计算乃至量子逻辑操作打开一扇全新的门。

一道难题困扰领域八年

自旋电子学的核心逻辑，是用电子的"自旋"而非传统电荷来编码和处理信息。磁涡旋是其中最具潜力的拓扑自旋结构之一，它像一个纳米级的磁性漩涡，稳定、耐扰，还拥有极性和螺旋度两种独立的拓扑自由度，可以承载远比"0"和"1"更丰富的信息编码方式。

麻烦在于，想要可靠地切换磁涡旋的螺旋度，你必须同时做到两件看似矛盾的事：让全局自旋发生相干的波浪式进动，同时又不能破坏涡旋本身的拓扑几何结构。传统的磁场、电流、电场调控方式，往往顾此失彼，要么速度太慢，要么在切换过程中把涡旋结构破坏得面目全非，导致调控失序。

付学文团队早在2018年就率先发现，飞秒激光可以诱导超快拓扑磁相变，但那次探索的问题是同样会破坏磁涡旋的拓扑完整性。此后八年，团队持续探索，最终提出了"面外磁场辅助飞秒激光脉冲激发"的全新策略。

研究以镍铁合金（80%镍、20%铁）纳米磁盘为实验对象，依托团队自主研制的4D超快透射电子显微镜平台，结合时间分辨磁光克尔效应测量，首次在实验中直接观测到磁涡旋拓扑螺旋度在数百皮秒尺度内的可逆相干切换，切换速度较传统方法提升了整整一个数量级，且全程保留了磁涡旋的本征拓扑构型与对称性。

论文共同第一作者刘灿、李泽方及其同事在论文中写道："螺旋度切换动力学可以通过激光通量和磁场强度精确调节，从而实现对两种能量简并态的确定性到随机性控制。"

从存储到类脑计算，这扇门通向哪里

磁盘中涡旋态的布洛赫球表示及其对应的能量映射。a，受限磁盘中的涡旋自旋构型，用圆柱坐标（er，eφ， ez）表示。位置r（χ， ρ）的约化磁化m用灰色箭头表示。b， 布洛赫球表示中的涡极态。黑色箭头表示空间平均磁化m（mr， mφ，mz），对应涡旋态|ψC“，涡旋螺旋度为C。绿色经线和红色纬线表示绕er轴和ez轴的自旋旋转。c， 涡极态自旋配置的示意表示。d，零场涡极态的能量映射。蓝色和黄色区域分别表示能量极小值和最大值。e，旋极态在布洛赫球纵向和纬度方向的能级。f，g，能量演化为面外磁场H（f）和自发磁化Ms（g）的函数。f和g之间的黑色箭头表示g中Ms相关的级数取自f的选定场值H= 377 mT。h，i，拓扑能量势垒绘制为H（h）和Ms（i）（任意单位）的函数。图片来源：Liu等（自然纳米技术，2026年）。

这项研究的价值，远不止于"切换得更快"这一项。

通过精准调节激光脉冲强度和磁场大小，研究人员发现可以连续调控螺旋度的切换模式，从确定性翻转，到随机性翻转，再到确定性不翻转，形成一个完整的动态响应谱系。这三种模式，恰好精准对应了神经形态计算和概率计算对器件行为的核心需求：既要有像神经元触发一样的确定性响应，也要有模拟随机性突触权重的能力。

换句话说，这不仅仅是一个更快的开关，它是一个可以模拟大脑神经元行为的物理器件原型。

当前主流计算架构正面临冯·诺依曼瓶颈，即处理器和存储器之间的数据搬运成为效率天花板，而神经形态芯片的思路是让存储和计算在同一物理结构中发生，正如大脑神经突触那样。磁涡旋螺旋度的超快可控切换，提供了一种硬件层面的实现路径，功耗低、速度快、结构稳定，物理优势明显。

更具前瞻性的是，付学文团队在论文中还指出，通过激光与磁场的协同调控，可以在布洛赫球上精准旋转磁涡旋态，编码左右手螺旋度的叠加态，这意味着在室温下模拟量子比特操作的可能性正在浮现，拓扑自旋电子学与量子计算的深度交叉或将由此开启。

这项研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金支持，合作方包括美国布鲁克海文国家实验室、德国于利希研究中心和深圳国际量子研究院。一道激光的背后，是一个跨越三大洲的科学协作网络。