超越北极和南极:磁单极子的证据

某种程度上,对分离的南北磁极的观察

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编者注:《原始在线版本》的故事先前已发布。

磁铁是公平性的杰出典范——每个北极都总是伴随着一个平衡的南极。将磁铁一分为二,结果是一对磁铁,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例外——即单极子,磁学对电子的回应,电子携带电荷。它将是磁北极或磁南极的自由漂浮载体——一个从其阴中解放出来的阳。

两个研究小组——一个由法国格勒诺布尔的劳厄-朗之万研究所的汤姆·芬内尔领导,另一个由亥姆霍兹柏林材料与能源中心的乔纳森·莫里斯领导——提供了实验证据,证明这种单极子确实存在,尽管不是像电子那样的基本粒子。相反,它们作为未结合的成分存在于所谓的自旋冰中。这些人造材料的名字来源于它们在磁性方面与水冰的相似性。法国领导的团队用钛酸钬进行了实验,而德国的团队则用钛酸镝进行了实验。


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莫里斯团队的牛津大学物理学家克劳迪奥·卡斯特尔诺沃解释说,这些化合物提供了一种特殊的秩序和自由的结合,有助于极点的分离。在内部,自旋冰中的微小磁性成分将自己首尾相连地排列成串,就像桌子上不同方向的条形磁铁链一样。在一个非常寒冷、干净的样品中,这些串形成闭环。

但随后物理学家通过升高温度对系统施加了一点“踢”。卡斯特尔诺沃解释说,这种升高激发了成分,并在这些链中引入了缺陷——在条形磁铁的类比中,其中一个磁铁被翻转,打破了首尾相连的连续性。

那么,在该缺陷的两侧,一端是两个北极,另一端是两个南极。这些电荷集中可以沿着弦自由漂浮,充当——瞧——磁单极子,团队根据中子从自旋冰散射的方式得出结论,他们看到了磁单极子。“自旋冰的美妙之处在于,这种低温相中剩余的无序度使得这两点彼此独立,除了它们从磁的角度相互吸引,因为一个是北极,一个是南极,”卡斯特尔诺沃指出。“但除此之外,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凭空产生北极——关键是它们的分离。“它们总是成对出现,”卡斯特尔诺沃说,“但它们不必在任何特定的位置相互关联。”

但俄克拉荷马大学物理学家金博尔·米尔顿在2006年回顾了单极子搜索的现状,他对此并不信服。真正的磁单极子“对我来说意味着它是一个点粒子,但在这些研究中它不是”,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,但它实际上根本不是单极子。”

他还断言,将自旋冰中的磁性链描述为狄拉克弦是“完全错误的”,狄拉克弦是英国物理学家保罗·狄拉克在1930年代设想的一种假设的隐形系绳,其末端有一个单极子。金博尔认为,自旋冰中的磁弦不符合狄拉克的定义,因为它们实际上是可观察到的,并且仅仅在两个相对的所谓单极子之间传递磁通量。“真正的单极子,如果存在,将是孤立的,而弦将延伸到无穷远,”他坚持说。

“我并没有试图贬低实验或这项工作,”米尔顿说,并指出这些发现对于凝聚态物理学很重要。但“从根本的角度来看,它们并不重要。”

注:本文最初以标题“单极子位置”印刷。

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