編者注:《原始線上版本》的故事先前已釋出。
磁鐵是公平性的傑出典範——每個北極都總是伴隨著一個平衡的南極。將磁鐵一分為二,結果是一對磁鐵,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例外——即單極子,磁學對電子的回應,電子攜帶電荷。它將是磁北極或磁南極的自由漂浮載體——一個從其陰中解放出來的陽。
兩個研究小組——一個由法國格勒諾布林的勞厄-朗之萬研究所的湯姆·芬內爾領導,另一個由亥姆霍茲柏林材料與能源中心的喬納森·莫里斯領導——提供了實驗證據,證明這種單極子確實存在,儘管不是像電子那樣的基本粒子。相反,它們作為未結合的成分存在於所謂的自旋冰中。這些人造材料的名字來源於它們在磁性方面與水冰的相似性。法國領導的團隊用鈦酸鈥進行了實驗,而德國的團隊則用鈦酸鏑進行了實驗。
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莫里斯團隊的牛津大學物理學家克勞迪奧·卡斯特爾諾沃解釋說,這些化合物提供了一種特殊的秩序和自由的結合,有助於極點的分離。在內部,自旋冰中的微小磁性成分將自己首尾相連地排列成串,就像桌子上不同方向的條形磁鐵鏈一樣。在一個非常寒冷、乾淨的樣品中,這些串形成閉環。
但隨後物理學家透過升高溫度對系統施加了一點“踢”。卡斯特爾諾沃解釋說,這種升高激發了成分,並在這些鏈中引入了缺陷——在條形磁鐵的類比中,其中一個磁鐵被翻轉,打破了首尾相連的連續性。
那麼,在該缺陷的兩側,一端是兩個北極,另一端是兩個南極。這些電荷集中可以沿著弦自由漂浮,充當——瞧——磁單極子,團隊根據中子從自旋冰散射的方式得出結論,他們看到了磁單極子。“自旋冰的美妙之處在於,這種低溫相中剩餘的無序度使得這兩點彼此獨立,除了它們從磁的角度相互吸引,因為一個是北極,一個是南極,”卡斯特爾諾沃指出。“但除此之外,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憑空產生北極——關鍵是它們的分離。“它們總是成對出現,”卡斯特爾諾沃說,“但它們不必在任何特定的位置相互關聯。”
但俄克拉荷馬大學物理學家金博爾·米爾頓在2006年回顧了單極子搜尋的現狀,他對此並不信服。真正的磁單極子“對我來說意味著它是一個點粒子,但在這些研究中它不是”,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,但它實際上根本不是單極子。”
他還斷言,將自旋冰中的磁性鏈描述為狄拉克弦是“完全錯誤的”,狄拉克弦是英國物理學家保羅·狄拉克在1930年代設想的一種假設的隱形繫繩,其末端有一個單極子。金博爾認為,自旋冰中的磁弦不符合狄拉克的定義,因為它們實際上是可觀察到的,並且僅僅在兩個相對的所謂單極子之間傳遞磁通量。“真正的單極子,如果存在,將是孤立的,而弦將延伸到無窮遠,”他堅持說。
“我並沒有試圖貶低實驗或這項工作,”米爾頓說,並指出這些發現對於凝聚態物理學很重要。但“從根本的角度來看,它們並不重要。”
注:本文最初以標題“單極子位置”印刷。