人类终于找到磁单极子了……吗？
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环球科学约 3 分钟
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撰 文｜ 扎克·萨维茨基（Zack Savitsky） 翻译｜仇艳菲
众所周知，磁体的两级是密不可分的。尝试分离磁体的北极和南极，只会让每一半都重新获得一个新的磁极。 科学家一直在寻找单一的磁北极或磁南极——即携带纯粹正或负磁荷的单个粒子，这些粒子被称为“磁单极子”。 尽管磁单极子至今尚未被发现，一些研究者已经开始探索表现为单一磁荷的电子团簇，即虚拟磁单极子。
“我们不是在寻找单一粒子，而是利用我们在凝聚态物理学中的创造力，重新定义新的基本单元。”英国剑桥大学的物理学家梅特·阿塔图雷（Mete Atatüre）表示。在《自然·材料》（ Nature Materials ）上发表的一项研究中，阿塔图雷及其同事首次直接观测到从电子集体行为中自发产生的“磁单极子”。研究团队希望这些现象有朝一日能够促成更节能的计算机信息存储方式。
在固体材料中，电子的行为类似于微小的条形磁铁，它们的磁场强度和方向由量子属性“自旋”定义。当许多邻近电子的自旋协同作用时，自旋就像原子级的指南针一样，可以形成特定的自旋纹理模式，表现为孤立的正或负磁荷区域，这些区域在物理上表现为单一的正或负的磁荷。这样类似磁单极子的性质可能出现在不同的材料中， 过去15年里，科学家一直在寻找这种现象，却仅能找到间接的证据。
在这项新研究中，阿塔图雷团队采用了一种先进的传感技术，该技术通过测量微小磁场如何改变钻石尖端单个电子的自旋极化状态来探测磁单极子。他们在一片雀斑大小的赤铁矿样本上进行扫描，绘制其表面的电子自旋纹理。赤铁矿是一种铁氧化物，也是铁锈的主要成分。在改变样本温度的过程中， 他们意外地发现自旋自发地组织成类似漩涡的形状，表现出单一正或负磁荷的特性，即磁单极子准粒子。
“测量到磁感线汇集到一点，或从一点散发出来，都是令人瞩目的，” 卢多维克·若贝尔（Ludovic Jaubert）表示，他是法国波尔多大学的理论物理学家，主要研究其他材料中类似 磁单极子的特征。“一旦你能够直观地看到这些现象，就更容易操纵它们，展开进一步的研究。”
磁极是否可以根本上分离？这些新发现的现象并没有解决这个长期谜题，但它们或许也具有重要的价值。科学家提出，这些电子自旋的漩涡可以用来在计算机中更高效地编码和传输信息，比目前依赖电荷的方法更节能。总而言之，观测到这些量子旋风是构建新一代电子设备的重要一步，若贝尔说：“这真的很美妙。”
本文节选自《环球科学》2024年8月刊前沿部分
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