在国家自然科学基金（批准号：92477130）等资助下，南开大学付学文教授团队与国内外多家科研机构联合攻关，在拓扑磁结构内禀拓扑自由度（手性、拓扑荷等）的超快精准操控方面取得一系列进展：基于自主研制的4D超快透射电子显微镜实验平台，提出“飞秒激光脉冲与面外磁场协同作用”调控方案，在国际上率先实现拓扑自旋手性皮秒（万亿分之一秒）级可控相干翻转和三维拓扑磁孤子快速成核。相关成果分别以“Picosecond-scale coherent toggle switching of topological spin helicity”和“Laser-induced nucleation of magnetic hopfions”为题，于2026年4月2日和4月21日相继发表于《自然· 纳米技术》（Nature Nanotechnology）和《自然· 物理》（Nature Physics）期刊，论文链接分别为https://www.nature.com/articles/s41565-026-02142-z 和https://www.nature.com/articles/s41567-026-03236-0。相关突破为研发下一代高速、高密度、低功耗的信息存储与计算元器件奠定了关键物理基础。

　　当前，全球信息科技领域深陷传统自旋电子器件的性能瓶颈：现代自旋电子学器件的核心是磁矩翻转，其通过磁矩取向编码信息比特“0”和“1”实现二进制存储与逻辑运算，但这种二元态切换已接近物理极限，难以满足高速和高密度信息处理需求。非共线拓扑磁结构（如纳米尺度磁涡旋、斯格明子等）凭借拓扑保护稳定特性，以及拓扑荷、手性、极性等内禀自由度，被认为是突破传统瓶颈、推动下一代信息处理技术革新的关键路径之一。然而，如何实现拓扑磁结构手性、拓扑荷等内禀自由度的快速精准操控，一直是困扰科学界的核心难题。

　　针对拓扑自旋手性操控难题，团队依托自主研制的4D超快透射电子显微镜，提出了一种创新策略：施加微小面外磁场的同时，用飞秒激光脉冲照射材料。这种激光能瞬间产生热量使拓扑磁涡旋部分退磁，“软化”其左手和右手基态之间的能垒，使自旋方向变得容易调整；而同步施加的微小磁场则像一个精准的“舵手”，引导所有自旋在皮秒级尺度一致进动完成翻转。相较于以往电流、磁场等调控方法，这种非接触式的光磁协同调控策略在速度与保真度上实现了量级提升，并且通过精细调节激光能量和磁场强度可实现对手性翻转行为的任意调控。

　　针对拓扑荷操控难题，特别是三维孤立拓扑磁孤子——磁霍普夫子的可控生成，团队利用飞秒激光超快淬火效应实现亚稳态高效截获的独特能力，在B20型手性磁体FeGe中实现了零磁场下孤立磁霍普夫子的快速、高效、定点成核与原位观测，证实了孤立霍普夫子的拓扑构型和稳定存在并揭示了该霍普夫子由斯格明子-反斯格明子对融合而快速成核的微观机制。该工作建立了无接触、超快、可扩展的三维拓扑磁孤子飞秒激光成核新方法，突破了三维拓扑磁孤子的高效制备瓶颈，为霍普夫子基拓扑磁电器件研发提供了关键实验支撑。

　　该系列成果为未来基于拓扑磁结构的高速多态存储、类脑计算等提供了关键物理基础，同时也为探索室温下模拟量子比特操作开辟了可能的路径。

图1　飞秒激光与面外磁场协同操控拓扑自旋手性皮秒级相干翻转及应用展望

图2　飞秒激光诱导孤立磁霍普夫子快速成核