磁鐵是出了名的相互依賴。嘗試分開磁鐵的北極和南極，每一半都會得到自己全新的一組兩極。長期以來，科學家們一直在尋找單獨的北極或南極——一種單獨的粒子，僅攜帶正或負磁荷。儘管這種“磁單極子”仍然難以捉摸，但有些人已經開始尋找虛擬的磁單極子——表現得像單個磁荷的電子簇。
劍橋大學物理學家梅特·阿塔圖雷說，我們並沒有尋找單個粒子，“我們正在使用我們在凝聚態物理學中擁有的創造力卡片……來重新定義新的構建模組”。在一項發表於《自然·材料》雜誌上的研究中，阿塔圖雷和他的同事首次直接觀察到磁單極子，這些磁單極子自然地從電子的集體行為中湧現出來。研究人員希望這些物體有一天能夠實現更節能的計算機資訊儲存方法。
固體材料中的電子錶現得像微小的條形磁鐵；它們的磁場強度和方向由一種稱為自旋的量子屬性定義，這種屬性就像原子羅盤指標。許多相鄰電子的自旋協同作用，可以形成特定的模式，表現為孤立的正或負磁荷區域。在過去的15年中，科學家們一直在各種材料中尋找這些類似單極子的特徵，但只收集到間接證據。
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在這項新研究中，阿塔圖雷和他的團隊採用了一種新的感測技術，該技術測量微小的磁場如何改變金剛石精細尖端單個電子的自旋。他們將探測器在針尖大小的赤鐵礦樣品（鐵鏽的主要成分）上執行，以繪製其表面電子自旋的紋理圖。在改變樣品溫度的同時，他們驚訝地發現自旋自發地組織成漩渦形狀，這些漩渦形狀就像磁單極子——沒有夥伴的單個正或負電荷。
波爾多大學研究其他材料中單極子特徵的理論物理學家盧多維克·喬伯特說：“對這些進出磁場的測量非常了不起。一旦你能直觀地看到這些東西，就更容易操縱[它們]以進行進一步研究。”
這些湧現的特徵並沒有解決磁鐵磁極是否可以從根本上分離的持久謎團，但它們可能仍然被證明是有價值的。科學家們已經提出，旋轉的電子自旋可以用於比目前的方法更有效地編碼和傳輸計算機資訊，目前的方法通常依賴於電荷，而電荷需要更多的能量來移動和維持。最後，喬伯特說，發現這些量子龍捲風是構建新一代電子產品的重要一步。“這真是太美妙了。”