在磁性固体中发现了磁单极子

亥姆霍兹柏林材料和能源中心（HZB）的科研人员通过与德累斯顿，圣安德鲁（英国），拉普拉塔（阿根廷）和牛津大学的同仁合作,首次验证了磁单极子的存在并在固体材料中观察到了它们产生的过程。他们的结果发表在最新一期《科学》杂志上， 9月3日已经提前登出网络版。

巴斯蒂安Klemke（Bastian Klemke）和乔纳森莫里斯（Jonathan Morris）在在柏林试验反应堆E2试验台上　（平锥式单晶体衍射仪）。

磁单极子是物理学家们假想的只带有一个磁极的粒子，或者北磁极或者南磁极。这在物质世界却是异乎寻常的，磁性粒子通常都只能以偶极子的形式、即南北两极同时一起出现。尽管如此也一直有一些理论预言存在单极子，后者是磁场的起源。例如1931年，物理学家保罗．狄拉克就通过运算推导出磁单极子必定存在于所谓的狄拉克弦的末端。人们可以把弦想像为细管，它的一头带着磁极。但迄今为止，一直没有发现磁单极子。

乔纳森．莫里斯（Jonathan Morris）、阿兰．坦南特（Alan Tennant）和他们在亥姆霍兹柏林能源与材料中心（HZB）的同事在柏林试验反应堆上进行了中子散射实验。测试材料是一块钛酸镝晶体。这种材料具有一种非常特别的晶体结构一所谓的烧绿石晶格。莫里斯和坦南特利用中子散射证明，材料内部的磁矩具有所谓的“自旋通心粉”形态。这个名字描述的是偶极子的取向，它是由成束的传导磁通量的细管（弦）缠绕形成的。因为中子本身带有磁矩，通过与中子的相互作用实验人们可以观察到该结果。

在中子测量中，研究人员还外加了一个磁场。通过这个磁场，他们可以影响弦的对称性和方向。从而能够降低弦的密度，减少单极子的数量。结果，当温度在0.6至2开尔文时，就看到了在末端有磁单极子的弦。

在巴斯蒂安．克莱姆克（Bastian Klemke）（HZB）操作的钛酸镝热容测量中，也观察到了磁单极子的典型特征。这进一步确认了磁单极子存在并表明它们就像电荷可以发生相互作用。

巴斯蒂安．克莱姆克正在操作HZB的比热容测量仪。

柏林材料与能源中心试验反应堆的E2实验台上的部分研究团队成员（从左到右依次为柯瑞丽．茹勒（Kirrily Rule）乔纳森．莫里斯和巴斯蒂安．克莱姆克）。

在此项研究中，科研人员首次证明，狄拉克所预言的磁单极子确实在固体中实际存在。通过特别操作处理偶极子就能产生磁单极子，它们具有跟磁性材料常见特征所全然不同的性能。除了这个基本发现之外，乔纳森．莫里斯强调这个结果还有更广泛的意义：“我们描述的是物质的全新和基本的属性。在所有这类空间结构的材料中– 也就是在烧绿石晶格结构中具有磁矩的物质 - 这是普遍有效的。这对开发新技术可能具有重大意义。特别值得强调的是，这是首次在三维方向上观察到磁的破裂。

中子散射实验示意图：中子击中样品后会扩散到弦上。由此产生的散射图片能提供反映弦特性的信息。当施加一个磁场时，狄拉克弦 – 在两端束缚有磁单极的弦 – 便会顺应磁场方向。

狄拉克弦的锥状散射图的三维仿真。

狄拉克弦的“自旋通心粉”结构的示意图。

（何宏译）

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