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磁铁是公平的卓越典范——每个北极总是伴随着一个平衡的南极。将磁铁一分为二，结果是一对完全中性的磁铁，每个磁铁都有自己的北极和南极。
几十年来，研究人员一直在寻找这条公平和平衡规则的例外：磁单极子。作为磁学对电学中带负电的电子的回答，单极子将是自由漂浮的磁北或磁南的载体——一个从其阴中分离出来的阳。
本周在《科学》杂志上在线发表的两篇论文提供了实验证据，表明这种单极子确实存在，尽管它们不是像电子一样的基本粒子，一位自称纯粹主义者的人说，这个警告使它们失去了真正的单极子地位。
这两项研究都检验了一类被称为自旋冰的稀土材料的磁行为——一组使用钬酸钛，另一组使用镝酸钛。人造自旋冰的名字来源于它们与水冰的相似性——在分子水平上，它们的内部磁结构类似于冰中质子的排列。
牛津大学的博士后物理学家克劳迪奥·卡斯特尔诺沃是其中一篇《科学》论文的合著者，也是去年在《自然》杂志上发表的一篇论文的合著者，该论文描述了单极子如何在自旋冰中实现，他解释说，这些化合物提供了一种特殊的有序和自由的组合，有助于极性的分离。
在低温下，自旋冰的晶格结构中仍然存在一些磁摆动的空间，但不多——可以这么说，系统的磁自由度受到了抑制。“因此，这是一种具有自由度的物质，从微观上看，它看起来与冰箱磁铁中的自由度相同，”卡斯特尔诺沃说。“但是，冰箱磁铁能够有序地发挥冰箱磁铁的作用并粘在金属上，而这个物质尽管内部具有这种磁结构，却由于这种抑制而无法达到这种有序水平。”
在内部，微小的磁性组件像链条一样首尾相连地排列，像横跨桌子的不同方向的条形磁铁链。在一个非常冷、干净的样品中，这些链条形成闭合的环路。但是，温度升高引起的激发可能会在这些链条中引入微小的缺陷，卡斯特尔诺沃说——在条形磁铁的类比中，其中一个磁铁翻转了，破坏了首尾相连的连续性。“你的路径是北-南-北-南，在某个点上，其中一个磁针实际上扭转了180度，指向了错误的方向，”他解释道。
在缺陷的两侧，突然出现的是磁荷的集中——一端是两个北极，另一端是两个南极。这些集中可以沿着链条自由漂浮，充当——瞧！——磁单极子。
“自旋冰的美妙之处在于，这种低温相中剩余的无序性使这两个点彼此独立，除了它们从磁的角度相互吸引这一事实之外，因为一个是北极，一个是南极，”卡斯特尔诺沃说。“但它们可以自由移动。”
当然，这种合成单极子的方法不能在不产生南极的情况下产生北极——关键在于它们的分离。“它们总是成对出现，”卡斯特尔诺沃说，“但它们不必彼此之间有任何特定的关系。”
但是，俄克拉荷马大学的物理学家金博尔·米尔顿撰写了一篇2006年的综述文章，总结了单极子搜索的现状，他对此并不信服。“这些不是磁单极子，”他说。
“我可能会反对[研究人员]说‘真正的磁单极子’，因为当你说真正的时候，对我来说这意味着它是一个点粒子，但它不是，”米尔顿说。“它是一种有效的激发，在某种程度上看起来像单极子，但它并不是真正意义上的单极子。”
他还说，像研究小组所做的那样，将自旋冰中的磁链描述为狄拉克弦是“完全错误的”。狄拉克弦是一条假想的、不可见的束缚带，其末端有一个单极子，是英国物理学家保罗·狄拉克在 20 世纪 30 年代设想的。“但这只是因为我是一个纯粹主义者，”米尔顿说。
根据他的评估，自旋冰中的磁链不符合狄拉克的定义，因为它们实际上是可观察到的，并且只是在两个相对的所谓单极子之间携带磁通量。“真正的单极子如果存在，将是孤立的，并且磁链将延伸到无限远，”他说。
“我并不是想贬低这项实验或工作，”米尔顿说。“我确信[新研究]在凝聚态物理领域很重要。但从根本的角度来看，它们并不重要。”