《科學》：首次在實物中發現磁單極子的存在

 
德國亥姆霍茲聯合會研究中心的研究人員在德國德累斯頓大學、聖安德魯斯大學、拉普拉塔大學及英國牛津大學同事的協作下，首次觀測到了磁單極子的存在，以及這些磁單極子在一種實際材料中出現的過程。該研究成果發表在9月3日出版的《科學》雜誌上。
 
磁單極子是科學家在理論物理學弦理論中提出的僅帶有北極或南極單一磁極的假設性磁性粒子。在物質世界中，這是相當特殊的，因為磁性粒子通常總是以偶極子（南北兩極）的形式成對出現。磁單極子這種物質的存在性在科學界時有紛爭，迄今為止科學家們還未曾發現過這種物質，因此，磁單極子可以說是21世紀物理學界重要的研究主題之一。
 
英國物理學家保羅·狄拉克早在1931年就利用數學公式預言磁單極子存在於攜帶磁場的管（所謂的狄拉克弦）的末端。當時他認為既然帶有基本電荷的電子在宇宙中存在，那麼理應帶有基本“磁荷”的粒子存在，從而啟發了許多物理學家開始了他們尋找磁單極子的工作。
 
科學家們曾通過種種方式尋找磁單極子，包括使用粒子加速器人工製造磁單極子，但均無收穫。此次，德國亥姆霍茲聯合會研究中心的喬納森·莫里斯和阿蘭·坦南特在柏林研究反應堆中進行了一次中子散射實驗。他們研究的材料是一種鈦酸鏑單晶體，這種材料可結晶成相當顯著的幾何形狀，也被稱為燒錄石晶格。在中子散射的幫助下，研究人員證實材料內部的磁矩已重新組織成所謂的“自旋式意大利麵條”，此名得自於偶極子本身的次序。如此一個可控的管（弦）網絡就可通過磁通量的傳輸得以形成，這些弦可通過與自身攜帶磁矩的中子進行反應觀察到，於是中子就可作為逆表示的弦進行散射。
 
在中子散射測量過程中，研究人員對晶體施加一個磁場，利用這個磁場就可影響弦的對稱和方向，從而降低弦網絡的密度以促成單極子的分離。結果，在0.6K到2K溫度條件下，這些弦是可見的，並在其兩端出現了磁單極子。
 
研究人員也在熱容量測量中發現了由這些單極子組成的氣體的特徵。這進一步證實了單極子的存在，也表明它們和電荷一樣以同樣的方式相互作用。
 
在此項工作中，研究人員首次證實了單極子以物質的非常態存在，即它們的出現是由偶極子的特殊排列促成的，這和材料的組分完全不同。除了上述基本知識外，莫里斯對此結果進行了進一步的解釋，他認為此項工作正在書寫新的物質基本屬性。一般來說，這些屬性對於具有相同拓撲結構（燒錄石晶格上的磁矩）的材料來說都是適用的。
 
研究人員認為，此項技術將產生重要的影響。不過，最重要的是，它標誌着人們首次在三維角度觀察到了磁單極子的分離。
 
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《科學》發表論文摘要（英文）