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磁鐵是公平的卓越典範——每個北極總是伴隨著一個平衡的南極。將磁鐵一分為二，結果是一對完全中性的磁鐵，每個磁鐵都有自己的北極和南極。
幾十年來，研究人員一直在尋找這條公平和平衡規則的例外：磁單極子。作為磁學對電學中帶負電的電子的回答，單極子將是自由漂浮的磁北或磁南的載體——一個從其陰中分離出來的陽。
本週在《科學》雜誌上線上發表的兩篇論文提供了實驗證據，表明這種單極子確實存在，儘管它們不是像電子一樣的基本粒子，一位自稱純粹主義者的人說，這個警告使它們失去了真正的單極子地位。
這兩項研究都檢驗了一類被稱為自旋冰的稀土材料的磁行為——一組使用鈥酸鈦，另一組使用鏑酸鈦。人造自旋冰的名字來源於它們與水冰的相似性——在分子水平上，它們的內部磁結構類似於冰中質子的排列。
牛津大學的博士後物理學家克勞迪奧·卡斯特爾諾沃是其中一篇《科學》論文的合著者，也是去年在《自然》雜誌上發表的一篇論文的合著者，該論文描述了單極子如何在自旋冰中實現，他解釋說，這些化合物提供了一種特殊的有序和自由的組合，有助於極性的分離。
在低溫下，自旋冰的晶格結構中仍然存在一些磁擺動的空間，但不多——可以這麼說，系統的磁自由度受到了抑制。“因此，這是一種具有自由度的物質，從微觀上看，它看起來與冰箱磁鐵中的自由度相同，”卡斯特爾諾沃說。“但是，冰箱磁鐵能夠有序地發揮冰箱磁鐵的作用並粘在金屬上，而這個物質儘管內部具有這種磁結構，卻由於這種抑制而無法達到這種有序水平。”
在內部，微小的磁性元件像鏈條一樣首尾相連地排列，像橫跨桌子的不同方向的條形磁鐵鏈。在一個非常冷、乾淨的樣品中，這些鏈條形成閉合的環路。但是，溫度升高引起的激發可能會在這些鏈條中引入微小的缺陷，卡斯特爾諾沃說——在條形磁鐵的類比中，其中一個磁鐵翻轉了，破壞了首尾相連的連續性。“你的路徑是北-南-北-南，在某個點上，其中一個磁針實際上扭轉了180度，指向了錯誤的方向，”他解釋道。
在缺陷的兩側，突然出現的是磁荷的集中——一端是兩個北極，另一端是兩個南極。這些集中可以沿著鏈條自由漂浮，充當——瞧！——磁單極子。
“自旋冰的美妙之處在於，這種低溫相中剩餘的無序性使這兩個點彼此獨立，除了它們從磁的角度相互吸引這一事實之外，因為一個是北極，一個是南極，”卡斯特爾諾沃說。“但它們可以自由移動。”
當然，這種合成單極子的方法不能在不產生南極的情況下產生北極——關鍵在於它們的分離。“它們總是成對出現，”卡斯特爾諾沃說，“但它們不必彼此之間有任何特定的關係。”
但是，俄克拉荷馬大學的物理學家金博爾·米爾頓撰寫了一篇2006年的綜述文章，總結了單極子搜尋的現狀，他對此並不信服。“這些不是磁單極子，”他說。
“我可能會反對[研究人員]說‘真正的磁單極子’，因為當你說真正的時候，對我來說這意味著它是一個點粒子，但它不是，”米爾頓說。“它是一種有效的激發，在某種程度上看起來像單極子，但它並不是真正意義上的單極子。”
他還說，像研究小組所做的那樣，將自旋冰中的磁鏈描述為狄拉克弦是“完全錯誤的”。狄拉克弦是一條假想的、不可見的束縛帶，其末端有一個單極子，是英國物理學家保羅·狄拉克在 20 世紀 30 年代設想的。“但這只是因為我是一個純粹主義者，”米爾頓說。
根據他的評估，自旋冰中的磁鏈不符合狄拉克的定義，因為它們實際上是可觀察到的，並且只是在兩個相對的所謂單極子之間攜帶磁通量。“真正的單極子如果存在，將是孤立的，並且磁鏈將延伸到無限遠，”他說。
“我並不是想貶低這項實驗或工作，”米爾頓說。“我確信[新研究]在凝聚態物理領域很重要。但從根本的角度來看，它們並不重要。”