物理学家在模拟磁场中创造并拍摄了一个孤立的北极——一个单极——使一个80多年前首次预测实际磁单极子存在的思想实验成为现实。
在自然界中，磁铁的北极和南极总是成对出现。将条形磁铁切成两半只会产生两个磁铁，每个磁铁仍然有两个极，而不是在每一半上产生单独的北极和南极。然而，它们的静电表亲，正电荷和负电荷，却是独立存在的。1931年，英国物理学家保罗·狄拉克提出，如果磁单极子确实存在，它不仅可以解决这种表面上的不平衡，还可以解释为什么电荷以离散的包形式存在：单个电子电荷的倍数。
研究人员实际上已经提出，大爆炸应该已经产生了作为基本粒子的磁单极子，但到目前为止，还没有人探测到这种东西，也没有在实验室中创造出来。 今天在《自然》杂志上发表，由马萨诸塞州阿默斯特学院的大卫·霍尔领导的团队通过在超冷铷原子云中模拟一个磁单极子，再现了狄拉克的单极子。
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霍尔的团队遵循了芬兰阿尔托大学的研究人员维勒·彼得ilä和米科·莫托宁提出的想法，使用大约一百万个铷原子的气体来模拟电子在磁单极子附近的行为，这些原子被冷却到绝对零度以上不到千亿分之一度。在那个时候，原子开始失去它们的个体特性，并成为一种被称为玻色-爱因斯坦凝聚态或BEC的集体量子物质状态的一部分。
涡旋视图
霍尔说，在与狄拉克的设想的比较中，霍尔和同事实验中的凝聚态代表单个电子，每个点的原子密度对应于电子存在于该空间区域的概率。凝聚态中的原子都具有磁自旋，这相当于微型指南针的量子等价物，并且对从外部施加的磁场作出反应。但在实验中，这些自旋并不扮演单极子周围磁场的角色；相反，磁场是由自旋排列方式的一个属性来表示的，称为它们的涡度。
为了创建单极子模式，研究人员操纵自旋在BEC内创建了一个“涡旋”——本质上是一个漩涡——单极子位于其端点。该团队对漩涡模式及其切片进行了成像。“我们看到漩涡是一条细细的黑线，就像水流下水道时产生的孔洞一样，是物质的缺失，”霍尔说。
团队创造的北极在任何传统意义上都不是磁性的：指南针不会指向它。“控制我们合成单极子的方程和控制自然磁单极子的方程本质上是相同的，”霍尔说。这项工作可以被看作是一个新兴研究领域——量子模拟——的一个例子，该领域使用量子系统来模拟另一个更难研究的系统。
许多单极子
这不是物理学家第一次创造单极子类似物。2009年，物理学家在一种称为自旋冰的晶体材料中观察到磁单极子，当冷却到接近绝对零度时，这种材料似乎充满了原子大小的经典单极子。这些在真正的意义上是磁性的，但不能单独研究。俄亥俄州立大学哥伦布分校的物理学家何天伦说，在其他材料中，如在超流氦中，也观察到类似的类似物，但观察结果不如本次实验直接。
最新论文的合著者莫托宁说，新研究中的单极子最接近真实的单极子，因为其结构与狄拉克磁单极子的结构相同。并非所有物理学家都同意。“在某些方面，这更接近真实单极子的样子，但在某些方面，它更远，”伦敦帝国学院的理论物理学家阿图·拉詹蒂说。
伦敦大学学院物理学家史蒂文·布拉姆韦尔是自旋冰中单极子研究的先驱，他说这项实验令人印象深刻，但它观察到的并不是许多人可能理解的狄拉克单极子。“这里有一个数学类比，一个简洁而美丽的类比。但它们不是磁单极子，”布拉姆韦尔说。“你必须做一个横向跳跃——在你的头脑中进行一些横向思考——才能将这些投影到磁单极子上，”他补充道。
狄拉克曾说过，如果大自然没有利用磁单极子这样优雅的想法，他会感到“惊讶”。物理学家仍在寻找天然单极子，包括在岩石和月球样本中，以及在使用粒子加速器的实验中。莫托宁说，模拟单极子为这些搜索提供了更坚实的基础。“你可以问，狄拉克预测的这种结构实际上可能存在吗？现在我们已经看到它是可能的，这就又多了一个理由说明作为基本粒子的磁单极子应该存在。”