近日，上海科技大学拓扑物理实验室、物质科学与技术学院张石磊教授团队实现了对信息存储载体在三维空间中的“折叠”与“展开”。研究团队在一种特殊的磁性材料体系中利用拓扑缺陷的性质，成功将三维拓扑自旋构型“折叠”至一个零维的奇点，并逆向实现其结构复原，研究成果发表于国际学术期刊Nano Letters。
拓扑缺陷的形成与演化是物理学中的基本概念，是自发对称破缺的自然结果。例如，在晶体中不可避免的会出现缺陷，即那些阻断长程有序的“奇点“。这些点缺陷可以逐渐演变为一维的线缺陷或二维的面缺陷，继而发生断裂。换句话说，晶体的最终断裂可以追溯到早期拓扑奇点的产生；而点缺陷的形成决定了最终断裂的位置甚至构型。相同的概念在宇宙学中依然成立，即，最早期时空中布满了（由Higgs机制导致的）磁单极子奇点。这些磁单级子演化出一维弦，二维畴壁，继而形成丰富的基本粒子和现在的宇宙时空。换句话说，宇宙中的充盈信息和精致结构，都可以追溯并储存在最早期的拓扑奇点中。
事实上，这种推想符合拓扑学的基本属性：信息的表达与空间的占用尺度并无关联。只要在拓扑上同源，复杂的构型既可以占用庞大的空间，也可以“折叠”收缩至一个无穷小点。起源于Y. Y. Trésor的启发，这种思想能够给信息存储带来全新的视角。对于磁存储来说，为了不断提升存储密度，就必须在材料和工程上不断缩减单个比特占用的空间大小。然而，如果从拓扑的角度考虑，这类问题似乎变得简洁起来：只需要将比特的磁构型“折叠”成一个无穷小的拓扑奇点保存在材料里；在需要读取或者使用的时候再将其“展开”即可。
图一.一维斯格明子弦的折叠过程
磁斯格明子是一种具有涡旋构型的自旋磁有序相，因其漩涡结构具有拓扑属性，是磁存储器件的优秀信息载体。近年来，研究者们致力于从材料优化的角度缩减磁斯格明子的尺寸以提高存储密度。例如，常见的可用于存储器的斯格明子大小约为几十纳米。然而，从拓扑结构的角度考虑，磁斯格明子也具有“可收缩”性。如图所示，在空间分布上，斯格明子的矢量场分布等效于弦论中的一维拓扑缺陷-弦。而弦的来源可以追溯到拓扑奇点-磁单极子。如果能够将斯格明子“折叠”成一个类似于磁单极子的结构，其占用空间将会被大幅缩小。理论上，因为其特殊的零维结构，其尺寸甚至与具体的单位无关。
本工作中，研究团队利用螺旋磁体-铁磁多层膜的异质结实现了对斯格明子弦长的精准调控。结果显示，一维弦长收缩的极限是浮在材料界面处的零维奇点（如图所示）。研究团队利用同步辐射软X射线磁散射技术的三维解析能力直接观测到了斯格明子弦被逐渐折叠成为拓扑奇点的过程。有趣的是，被“折叠”的信息可以通过逆过程将弦的完整结构重新“展开”并恢复其原有的构型和尺寸。这一发现为理解拓扑磁结构的本源，以及拓扑磁存储提供了全新的研究思路。