拓扑相的发现极大地加深了我们对物质分类的理解。拓扑相中出现的手性边界态有望在量子计算和量子信息中发挥重要的应用。拓扑相一般包括两类：一类是存在带隙的拓扑绝缘体；另一类是无带隙的拓扑半金属(如外尔半金属，狄拉克半金属等)。在磁学系统中，对磁子外尔半金属的研究大都还只局限于理论，最主要的原因在于实验上观测外尔磁子还非常困难，因为所需的激发频率非常高(几百GHz甚至太赫兹)，已经远超当前微波天线技术所能实现的频率上限。幸运的是，磁学系统中还存在着一种振荡频率远低于磁子的激发，即所谓的磁孤子(典型的例子包括磁畴壁、磁涡旋、斯格明子等)。我们之前的工作已经证实了磁孤子的集体振荡能表现出拓扑绝缘相，但是还没有任何文献提及磁孤子系统中可能出现拓扑半金属相。

我们理论上研究了由磁涡旋纳米盘组成的三维堆叠型蜂巢结构的集体动力学。为了实现外尔半金属相，我们通过调节A、B子晶格纳米盘的大小来打破空间反演对称性。通过求解磁涡旋的本征动力学方程，我们得到了系统完整的相图。我们发现系统存在两种不同的外尔半金属相，分别含有一对和两对外尔点。另外，由于层间耦合作用的特殊形式，我们证实了系统中出现的外尔半金属都属于第二类。最后，我们得到了由拓扑非平庸表面态组成的涡旋弧，这和电子系统中出现的费米弧非常类似。由于磁孤子振荡的频率非常低(1GHz左右)，利用当前成熟的微波天线技术就能轻易的观测到磁孤子外尔半金属中的各种相。我们的结果开启了磁学系统中探索外尔半金属的关键一步，同时也有助于设计三维外尔自旋电子学器件。

该工作得到了国家自然科学基金和中国博士后科学基金面上项目资助。

论文链接：

        Phys. Rev. Applied 17, 024054 (2022).