Dynamically Reentrant Skyrmion Phase in Oscillating Magnetic Fields
通过蒙特卡洛模拟，本研究揭示了周期性驱动的二维磁体中一种新型非平衡态斯格明子相，该相出现于常规斯格明子态与铁磁态之间，其特征在于由于斯格明子产生与湮灭之间的不平衡而导致的动力学诱导拓扑电荷反转。
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在磁性材料的微观世界中，原子自旋形成的微小漩涡可以构成稳定的、类粒子的结构，被称为斯格明子（skyrmions）。这些结构并非由水或空气组成，而是由电子的磁取向构成的，它们以一种旋转的方式存在，赋予了它们独特的拓扑身份，就像一个如果不剪断绳索就无法解开的结。由于它们如此之小且稳固，科学家们长期以来一直对利用它们在未来的计算机中存储信息深感兴趣。在一个平静、稳定的环境中，这些磁性漩涡仅存在于特定的温度和磁场范围内；如果外部磁场变得过强，漩涡就会被破坏，材料会进入一种均匀、平坦的状态，即所有自旋都指向同一个方向。几十年来，这种行为一直被理解为自然界的一种固定规则，由材料内部力量的平衡所决定。
然而，当自然界受到推力和拉力而非处于静止状态时，其表现往往会有所不同。一组研究人员现在发现，通过用快速振荡的磁场来摇晃磁性材料，他们可以创造出一种在系统静止时根本不存在的新物态。科学家们利用强大的计算机模拟来模拟一个二维磁性薄层，并施加了一个像方波一样来回翻转的磁场。他们发现，在适当的条件下，材料并不仅仅是失去斯格明子后就此消失。相反，随着振荡磁场强度的增加，斯格明子消失后又突然重新出现，但其磁性旋向发生了反转。这种“动态再入”（dynamically re-entrant）相是一种稍纵即逝的非平衡态，在这种状态下，材料在一个磁场周期内创造的某一类型斯格明子多于其破坏的数量，从而导致其净电荷与原先的状态相反。
研究人员在处理一个基于三角网格的磁性材料模型时观察到，这一现象完全取决于磁场变化的速率。当磁场翻转得足够慢，使得原子自旋能够跟上变化时，一个让反向斯格明子茁壮成长的窗口便会开启。在这个窗口期内，外部磁场充当了一个精确的控制旋钮。在磁场周期的前半段，各种力量结合在一起，产生了一簇具有正向扭转的斯格明子。在后半段，力量趋向于破坏它们，但并未完全破坏。由于在该特定时间范围内，创造过程比破坏过程更为有效，材料最终留下了一群具有与原始类型相反符号的斯格明子。这并非暂时的故障或瞬间的波动，而是一个只要振荡磁场持续存在就会一直维持的稳定、重复的状态。
这一发现挑战了传统的观点，即认为强磁场只会简单地抹除复杂的磁性纹理。模拟显示，如果磁场振荡得过快，原子自旋就无法跟上快速的变化，这种特殊的反向状态也会随之消失，留下一个标准的均匀状态。但当时机恰当时，振荡磁场不仅能成为稳定这些磁性漩涡的工具，还能翻转它们的本质属性。这项研究证实，这种行为是系统动力学的一个真实特征，与仅仅开启并保持磁场开启时的状态截然不同。它表明，通过调节外部磁场的节奏和强度，科学家们有可能以静态环境下无法实现的方式来操纵磁性信息，从而为控制磁性材料的拓扑结构开辟一条新路径。
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