磁铁是出了名的相互依赖。尝试分开磁铁的北极和南极，每一半都会得到自己全新的一组两极。长期以来，科学家们一直在寻找单独的北极或南极——一种单独的粒子，仅携带正或负磁荷。尽管这种“磁单极子”仍然难以捉摸，但有些人已经开始寻找虚拟的磁单极子——表现得像单个磁荷的电子簇。
剑桥大学物理学家梅特·阿塔图雷说，我们并没有寻找单个粒子，“我们正在使用我们在凝聚态物理学中拥有的创造力卡片……来重新定义新的构建模块”。在一项发表于《自然·材料》杂志上的研究中，阿塔图雷和他的同事首次直接观察到磁单极子，这些磁单极子自然地从电子的集体行为中涌现出来。研究人员希望这些物体有一天能够实现更节能的计算机信息存储方法。
固体材料中的电子表现得像微小的条形磁铁；它们的磁场强度和方向由一种称为自旋的量子属性定义，这种属性就像原子罗盘指针。许多相邻电子的自旋协同作用，可以形成特定的模式，表现为孤立的正或负磁荷区域。在过去的15年中，科学家们一直在各种材料中寻找这些类似单极子的特征，但只收集到间接证据。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
在这项新研究中，阿塔图雷和他的团队采用了一种新的传感技术，该技术测量微小的磁场如何改变金刚石精细尖端单个电子的自旋。他们将探测器在针尖大小的赤铁矿样品（铁锈的主要成分）上运行，以绘制其表面电子自旋的纹理图。在改变样品温度的同时，他们惊讶地发现自旋自发地组织成漩涡形状，这些漩涡形状就像磁单极子——没有伙伴的单个正或负电荷。
波尔多大学研究其他材料中单极子特征的理论物理学家卢多维克·乔伯特说：“对这些进出磁场的测量非常了不起。一旦你能直观地看到这些东西，就更容易操纵[它们]以进行进一步研究。”
这些涌现的特征并没有解决磁铁磁极是否可以从根本上分离的持久谜团，但它们可能仍然被证明是有价值的。科学家们已经提出，旋转的电子自旋可以用于比目前的方法更有效地编码和传输计算机信息，目前的方法通常依赖于电荷，而电荷需要更多的能量来移动和维持。最后，乔伯特说，发现这些量子龙卷风是构建新一代电子产品的重要一步。“这真是太美妙了。”