物理學家在模擬磁場中創造並拍攝了一個孤立的北極——一個單極——使一個80多年前首次預測實際磁單極子存在的思想實驗成為現實。
在自然界中，磁鐵的北極和南極總是成對出現。將條形磁鐵切成兩半隻會產生兩個磁鐵，每個磁鐵仍然有兩個極，而不是在每一半上產生單獨的北極和南極。然而，它們的靜電錶親，正電荷和負電荷，卻是獨立存在的。1931年，英國物理學家保羅·狄拉克提出，如果磁單極子確實存在，它不僅可以解決這種表面上的不平衡，還可以解釋為什麼電荷以離散的包形式存在：單個電子電荷的倍數。
研究人員實際上已經提出，大爆炸應該已經產生了作為基本粒子的磁單極子，但到目前為止，還沒有人探測到這種東西，也沒有在實驗室中創造出來。 今天在《自然》雜誌上發表，由馬薩諸塞州阿默斯特學院的大衛·霍爾領導的團隊透過在超冷銣原子雲中模擬一個磁單極子，再現了狄拉克的單極子。
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霍爾的團隊遵循了芬蘭阿爾託大學的研究人員維勒·彼得ilä和米科·莫託寧提出的想法，使用大約一百萬個銣原子的氣體來類比電子在磁單極子附近的行為，這些原子被冷卻到絕對零度以上不到千億分之一度。在那個時候，原子開始失去它們的個體特性，併成為一種被稱為玻色-愛因斯坦凝聚態或BEC的集體量子物質狀態的一部分。
渦旋檢視
霍爾說，在與狄拉克的設想的比較中，霍爾和同事實驗中的凝聚態代表單個電子，每個點的原子密度對應於電子存在於該空間區域的機率。凝聚態中的原子都具有磁自旋，這相當於微型指南針的量子等價物，並且對從外部施加的磁場作出反應。但在實驗中，這些自旋並不扮演單極子周圍磁場的角色；相反，磁場是由自旋排列方式的一個屬性來表示的，稱為它們的渦度。
為了建立單極子模式，研究人員操縱自旋在BEC內建立了一個“渦旋”——本質上是一個漩渦——單極子位於其端點。該團隊對漩渦模式及其切片進行了成像。“我們看到漩渦是一條細細的黑線，就像水流下水道時產生的孔洞一樣，是物質的缺失，”霍爾說。
團隊創造的北極在任何傳統意義上都不是磁性的：指南針不會指向它。“控制我們合成單極子的方程和控制自然磁單極子的方程本質上是相同的，”霍爾說。這項工作可以被看作是一個新興研究領域——量子模擬——的一個例子，該領域使用量子系統來模擬另一個更難研究的系統。
許多單極子
這不是物理學家第一次創造單極子類似物。2009年，物理學家在一種稱為自旋冰的晶體材料中觀察到磁單極子，當冷卻到接近絕對零度時，這種材料似乎充滿了原子大小的經典單極子。這些在真正的意義上是磁性的，但不能單獨研究。俄亥俄州立大學哥倫布分校的物理學家何天倫說，在其他材料中，如在超流氦中，也觀察到類似的類似物，但觀察結果不如本次實驗直接。
最新論文的合著者莫託寧說，新研究中的單極子最接近真實的單極子，因為其結構與狄拉克磁單極子的結構相同。並非所有物理學家都同意。“在某些方面，這更接近真實單極子的樣子，但在某些方面，它更遠，”倫敦帝國學院的理論物理學家阿圖·拉詹蒂說。
倫敦大學學院物理學家史蒂文·布拉姆韋爾是自旋冰中單極子研究的先驅，他說這項實驗令人印象深刻，但它觀察到的並不是許多人可能理解的狄拉克單極子。“這裡有一個數學類比，一個簡潔而美麗的類比。但它們不是磁單極子，”布拉姆韋爾說。“你必須做一個橫向跳躍——在你的頭腦中進行一些橫向思考——才能將這些投影到磁單極子上，”他補充道。
狄拉克曾說過，如果大自然沒有利用磁單極子這樣優雅的想法，他會感到“驚訝”。物理學家仍在尋找天然單極子，包括在岩石和月球樣本中，以及在使用粒子加速器的實驗中。莫託寧說，模擬單極子為這些搜尋提供了更堅實的基礎。“你可以問，狄拉克預測的這種結構實際上可能存在嗎？現在我們已經看到它是可能的，這就又多了一個理由說明作為基本粒子的磁單極子應該存在。”