科學(xué)家首次在實(shí)物中發(fā)現(xiàn)磁單極子的存在

德國(guó)亥姆霍茲聯(lián)合會(huì)研究中心的研究人員在德國(guó)德累斯頓大學(xué)、圣安德魯斯大學(xué)、拉普拉塔大學(xué)及英國(guó)牛津大學(xué)同事的協(xié)作下，首次觀測(cè)到了磁單極子的存在，以及這些磁單極子在一種實(shí)際材料中出現(xiàn)的過(guò)程。該研究成果發(fā)表在9月3日出版的《科學(xué)》雜志上。 　　磁單極子是科學(xué)家在理論物理學(xué)弦理論中提出的僅帶有北極或南極單一磁極的假設(shè)性磁性粒子。在物質(zhì)世界中，這是相當(dāng)特殊的，因?yàn)榇判粤Ｗ油ǔ？偸且耘紭O子（南北兩極）的形式成對(duì)出現(xiàn)。磁單極子這種物質(zhì)的存在性在科學(xué)界時(shí)有紛爭(zhēng)，迄今為止科學(xué)家們還未曾發(fā)現(xiàn)過(guò)這種物質(zhì)，因此，磁單極子可以說(shuō)是21世紀(jì)物理學(xué)界重要的研究主題之一。
　　英國(guó)物理學(xué)家保羅·狄拉克早在1931年就利用數(shù)學(xué)公式預(yù)言磁單極子存在于攜帶磁場(chǎng)的管（所謂的狄拉克弦）的末端。當(dāng)時(shí)他認(rèn)為既然帶有基本電荷的電子在宇宙中存在，那么理應(yīng)帶有基本“磁荷”的粒子存在，從而啟發(fā)了許多物理學(xué)家開(kāi)始了他們尋找磁單極子的工作。
　　科學(xué)家們?cè)ㄟ^(guò)種種方式尋找磁單極子，包括使用粒子加速器人工制造磁單極子，但均無(wú)收獲。此次，德國(guó)亥姆霍茲聯(lián)合會(huì)研究中心的喬納森·莫里斯和阿蘭·坦南特在柏林研究反應(yīng)堆中進(jìn)行了一次中子散射實(shí)驗(yàn)。他們研究的材料是一種鈦酸鏑單晶體，這種材料可結(jié)晶成相當(dāng)顯著的幾何形狀，也被稱(chēng)為燒錄石晶格。在中子散射的幫助下，研究人員證實(shí)材料內(nèi)部的磁矩已重新組織成所謂的“自旋式意大利面條”，此名得自于偶極子本身的次序。如此一個(gè)可控的管（弦）網(wǎng)絡(luò)就可通過(guò)磁通量的傳輸?shù)靡孕纬桑@些弦可通過(guò)與自身攜帶磁矩的中子進(jìn)行反應(yīng)觀察到，于是中子就可作為逆表示的弦進(jìn)行散射。
　　在中子散射測(cè)量過(guò)程中，研究人員對(duì)晶體施加一個(gè)磁場(chǎng)，利用這個(gè)磁場(chǎng)就可影響弦的對(duì)稱(chēng)和方向，從而降低弦網(wǎng)絡(luò)的密度以促成單極子的分離。結(jié)果，在0.6K到2K溫度條件下，這些弦是可見(jiàn)的，并在其兩端出現(xiàn)了磁單極子。
　　研究人員也在熱容量測(cè)量中發(fā)現(xiàn)了由這些單極子組成的氣體的特征。這進(jìn)一步證實(shí)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(xiàng)工作中，研究人員首次證實(shí)了單極子以物質(zhì)的非常態(tài)存在，即它們的出現(xiàn)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(shí)外，莫里斯對(duì)此結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步的解釋?zhuān)J(rèn)為此項(xiàng)工作正在書(shū)寫(xiě)新的物質(zhì)基本屬性。一般來(lái)說(shuō)，這些屬性對(duì)于具有相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（燒錄石晶格上的磁矩）的材料來(lái)說(shuō)都是適用的。
　　研究人員認(rèn)為，此項(xiàng)技術(shù)將產(chǎn)生重要的影響。不過(guò)，最重要是，它標(biāo)志著人們首次在三維角度觀察到了磁單極子的分離。