2026年8月25日——扩散是一种基本的自然现象，可以在广泛的空间和时间尺度上观察到。它在许多不同领域都发挥着关键作用，包括物理学、生物学和经济学。特别是，粒子系统的不对称或定向扩散在实际应用中引起了越来越多的关注，包括非常规人工智能（AI）硬件的开发，其中它可以实现非线性、几何控制的信息处理。

磁性斯格明子是一类拓扑自旋纹理，其行为类似于具有手性动力学性质的类粒子物体。有趣的是，最近的报告表明，即使是微小的热涨落也能在超薄磁性薄膜和层状异质结构中驱动斯格明子的有效扩散。一些实验还揭示了当斯格明子在受限空间中相互作用时，存在一种依赖于拓扑结构的侧向、由壁引导的运动，即所谓的斯格明子布朗回转运动。磁性斯格明子还可以表现出普通粒子无法再现的奇异动力学行为。尤其是，它们的扩散特性在新型信息处理应用中具有巨大的潜力。然而，这些特性——特别是在结构化环境中的表现——在很大程度上仍未被探索。

在一项突破性研究中，由日本早稻田大学应用物理系Masahito Mochizuki教授和Xichao Zhang副教授领导的研究团队证明，磁性斯格明子在结构化环境中可以表现出不对称扩散。“当 许多相互排斥的斯格明子在由偏心门隔开的两个相连腔室内进行热扩散时，它们在一个有限的时间间隔内从一个方向穿过比从相反方向穿过更容易，”Masahito Mochizuki教授解释说。“这 建立了利用拓扑和几何控制热扩散的新原理。”他们的研究于2026年7月16日发表在npj Spintronics上。

为了研究斯格明子在结构化环境中的扩散，研究团队设计了一个理论模型：Néel型斯格明子被限制在纳米结构磁性薄膜系统中，该系统包含两个由狭窄的偏心非对称门（OAG）相连的腔室。他们的分析表明，尽管磁性斯格明子存在热诱导的随机运动，但偏心几何结构导致其扩散出现明显的方向失衡。放置在左腔室中的斯格明子比从对面接近的斯格明子更有可能通过OAG。

对多个初始放置在OAG两侧的相互排斥斯格明子进行的计算模拟证实了这一理论发现。研究团队发现，这一关键机制并不仅仅归因于门的不对称构型，而是源于结构化环境与斯格明子独特的拓扑相关动力学之间的相互作用。

当斯格明子接近腔室壁时，腔室壁会施加排斥力。由于斯格明子的非平凡拓扑结构，这种力会引导其进入布朗回转运动。由于OAG使从某一方向到达的斯格明子暴露于腔室壁的不同区段，由此产生的运动更有利于某一个穿越方向，而不是另一个方向。相比之下，在居中对称门的情况下，模拟显示两侧斯格明子的扩散几乎是对称的。

结果进一步揭示，两个扩散中的斯格明子可以短暂地相互绕转，形成短寿命的二元斯格明子系统，这凸显了相互排斥的斯格明子之间相互作用及其密度的重要性。研究人员还发现，较高的初始斯格明子密度可能会在不与OAG进行有效相互作用的情况下将斯格明子推出腔室。此外，扩散不对称性在很大程度上取决于门的开口宽度。宽度远大于斯格明子直径的OAG可能允许所有斯格明子通过，而狭窄的OAG可能阻止任何斯格明子通过。只有合理的OAG宽度才能产生不对称扩散。

“拓扑磁性纹理，如斯格明子，是由位于磁性晶体原子晶格位点上的局域磁矩形成的空间图案。值得注意的是，仅仅这样一种磁化图案就能表现出粒子行为并展现出热扩散。 更令人着迷的是，由于其拓扑几何起源，其热扩散会变得不对称，”Mochizuki教授表示。“我们的发现揭示了超越传统粒子系统的新物理学，并有望开辟一个专注于磁性纹理的非平衡统计力学新研究领域。”

“在过去十年中，该领域主要关注单个斯格明子或斯格明子固体晶格的传统动力学。在这两种情况下，斯格明子–斯格明子以及斯格明子–环境之间的相互作用要么不存在，要么微不足道。因此，探索相互作用斯格明子的物理学具有重大意义，其中更丰富的相互作用可能产生奇特的动力学行为，尤其是当它们与结构化环境耦合时，”Zhang博士表示。“这项研究加深了我们对受限和结构化环境中斯格明子扩散的理解，为新型物理计算平台铺平了道路，在这些平台上，随机性、几何、耗散和拓扑协同发挥作用。