南开新闻网讯（通讯员 程丹）南开大学物理科学学院付学文教授团队领衔，联合国内外多个研究团队依托自主研制的4D超快透射电子显微镜平台，在国际上首次实现了纳米尺度磁涡旋拓扑螺旋度的皮秒级超快相干调控与精准切换，为下一代高速多态存储、神经形态计算和概率计算等自旋电子器件的研发奠定了核心基础。该工作以“Picosecond coherent toggle switching of topological spin helicity”（拓扑自旋螺旋度皮秒相干翻转开关）为题发表于国际顶级学术期刊Nature Nanotechnology（自然纳米技术）。
在现代信息科技领域，传统磁存储和计算依赖于磁矩的“0”和“1”二元态切换，已接近物理极限。磁涡旋、磁斯格明子等拓扑自旋结构凭借拓扑保护特性，以及螺旋度、极性等额外拓扑自由度，成为突破传统瓶颈、实现高密度高速信息处理的关键候选。其中，拓扑自旋螺旋度的可控相干切换，是多态信息编码、神经形态计算的核心关键，但该过程需兼顾自旋结构本征拓扑性与全局自旋相干进动，长期以来是领域内世界性难题。传统磁场、电流、电场等调控方式，需通过偏移涡旋核实现低频进动切换，不仅速度迟缓，还易破坏自旋拓扑完整性，引发调控失序、可控性差。
图1. 磁涡旋拓扑螺旋度相干调控新策略、原位实验结果及切换过程能垒变化
针对这一痛点，付学文教授等人早在2018年在国际上率先报道了零场下飞秒激光控拓扑磁涡旋（Sci. Adv. 2018, 4, eaat3077），发现飞秒激光诱导瞬时全退磁可触发超快拓扑磁相变，但该过程同样破坏磁涡旋拓扑完整性，导致拓扑自由度演化失控。历经八年深耕，团队创新性提出“面外磁场辅助飞秒激光脉冲激发”调控策略，成功攻克这一核心难题。研究以镍铁合金纳米磁盘为研究对象，依托自主4D超快透射电子显微镜（Rev. Sci. Instrum. 2025, 96, 033701），结合时间分辨磁光克尔效应测量，首次实验观测到磁涡旋拓扑螺旋度在皮秒尺度（1皮秒为万亿分之一秒）的可逆相干切换，切换速度较传统方法提升一个数量级。且全程保留磁涡旋本征拓扑构型与对称性，实现真正意义上的非接触式无损相干调控。团队通过构建物理模型阐明了该超快相干切换的核心物理机制：飞秒激光的超快光热退磁效应，瞬时重塑自旋结构在布洛赫球上的能量图谱，降低左右手螺旋度双稳态的能垒；在再磁化过程中，自旋在时变有效磁场中全局相干进动，最终实现螺旋度超快精准切换。研究发现，通过精准调控激光脉冲通量与磁场强度，可实现螺旋度确定性翻转→随机性翻转→确定性不翻转的连续调控，完美匹配神经形态计算、概率计算对器件动态响应的核心需求，为新型计算架构设计提供新路径。
该研究更具备重大前瞻性价值：通过激光与磁场协同调控，可实现磁涡旋态在布洛赫球上的精准旋转，完成左右手螺旋度双稳态叠加态的编码与操控，为室温下模拟量子比特操作、利用拓扑自旋结构实现量子逻辑操作开辟全新路径，有望推动拓扑自旋电子学与量子计算深度交叉融合。
图2. 不同磁场下飞秒激光调控磁涡旋拓扑螺旋度不同类型翻转的动力学模拟
图3. 南开大学团队主要参与成员及自主设计研制的原位超快电子显微镜装置。从左至右依次为郭江腾、胡玄戈、李泽方、付学文、邓颖、刘灿。
南开大学为该工作第一单位，南开大学物理科学学院刘灿博士、李泽方副教授、博士研究生胡玄戈为该论文共同第一作者，南开大学付学文教授、美国布鲁克海文国家实验室Yimei Zhu教授、华南师范大学侯志鹏研究员、德国于利希研究中心Rafal E. Dunin-Borkowski教授和深圳国际量子研究院俞大鹏院士为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、南开大学中央高校基础研究经费、南开大学前沿交叉科学研究院青年交叉项目等的支持。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41565-026-02142-z
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