易平面磁性 Hopfion 由 Meron 弦扎穿的三维拓扑超结构

拓扑自旋纹理具有层级结构。例如，具有粒子性质的磁性天空拱，可以聚合形成如天空拱链和天空拱晶格等超结构。磁性 Hopfion 也被视为由闭合的扭曲天空拱链构成的超结构，这些链条作为独立的粒子行为。然而，是否存在这些磁性 Hopfion 聚合形成更高层次的超结构仍存疑问。本文报道在易平面各向异性的受扰自旋模型中，一种由三维周期性排列的磁性 Hopfion 组成的稳定超结构。通过系统考察两个 Hopfion 之间的有效相互作用，我们构建由一个沿垂直于易平面的 Hopf 数为 $H=+1$ 和 $H=-1$ 的一维 Hopfion 链错开排列而成的 Hopfion 超结构。每条 Hopfion 链都被一根磁性 Meron 弦扎穿，导致在任意与易平面平行的二维切片上，每个磁性单元单元中具有天空拱数 $N_{\rm sk}=2$ 的非平凡拓扑纹理。我们表明，Hopfion 超结构在 Hopfion 密度范围内作为亚稳态保持鲁棒性。此外，我们展示了更高 Hopf 数的超结构也可被稳定化。我们的发现扩展了现有的拓扑磁性层级，为探索新的量子现象和自旋动力学开辟了道路。