德國亥姆霍茲聯(lián)合會研究中心的研究人員在德國德累斯頓大學(xué)、圣安德魯斯大學(xué)、拉普拉塔大學(xué)及英國牛津大學(xué)同事的協(xié)作下，首次觀測到了磁單極子的存在，以及這些磁單極子在一種實(shí)際材料中出現(xiàn)的過程。該研究成果發(fā)表在9月3日出版的《科學(xué)》雜志上。

　　磁單極子是科學(xué)家在理論物理學(xué)弦理論中提出的僅帶有北極或南極單一磁極的假設(shè)性磁性粒子。在物質(zhì)世界中，這是相當(dāng)特殊的，因?yàn)榇判粤Ｗ油ǔ？偸且耘紭O子(南北兩極)的形式成對出現(xiàn)。磁單極子這種物質(zhì)的存在性在科學(xué)界時有紛爭，迄今為止科學(xué)家們還未曾發(fā)現(xiàn)過這種物質(zhì)，因此，磁單極子可以說是21世紀(jì)物理學(xué)界重要的研究主題之一。

　　英國物理學(xué)家保羅?狄拉克早在1931年就利用數(shù)學(xué)公式預(yù)言磁單極子存在于攜帶磁場的管(所謂的狄拉克弦)的末端。當(dāng)時他認(rèn)為既然帶有基本電荷的電子在宇宙中存在，那么理應(yīng)帶有基本“磁荷”的粒子存在，從而啟發(fā)了許多物理學(xué)家開始了他們尋找磁單極子的工作。

　　科學(xué)家們曾通過種種方式尋找磁單極子，包括使用粒子加速器人工制造磁單極子，但均無收獲。此次，德國亥姆霍茲聯(lián)合會研究中心的喬納森?莫里斯和阿蘭?坦南特在柏林研究反應(yīng)堆中進(jìn)行了一次中子散射實(shí)驗(yàn)。他們研究的材料是一種鈦酸鏑單晶體，這種材料可結(jié)晶成相當(dāng)顯著的幾何形狀，也被稱為燒錄石晶格。在中子散射的幫助下，研究人員證實(shí)材料內(nèi)部的磁矩已重新組織成所謂的“自旋式意大利面條”，此名得自于偶極子本身的次序。如此一個可控的管(弦)網(wǎng)絡(luò)就可通過磁通量的傳輸?shù)靡孕纬桑@些弦可通過與自身攜帶磁矩的中子進(jìn)行反應(yīng)觀察到，于是中子就可作為逆表示的弦進(jìn)行散射。

　　在中子散射測量過程中，研究人員對晶體施加一個磁場，利用這個磁場就可影響弦的對稱和方向，從而降低弦網(wǎng)絡(luò)的密度以促成單極子的分離。結(jié)果，在0.6K到2K溫度條件下，這些弦是可見的，并在其兩端出現(xiàn)了磁單極子。

　　研究人員也在熱容量測量中發(fā)現(xiàn)了由這些單極子組成的氣體的特征。這進(jìn)一步證實(shí)了單極子的存在，也表明它們和電荷一樣以同樣的方式相互作用。

　　在此項(xiàng)工作中，研究人員首次證實(shí)了單極子以物質(zhì)的非常態(tài)存在，即它們的出現(xiàn)是由偶極子的特殊排列促成的，這和材料的組分完全不同。除了上述基本知識外，莫里斯對此結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步的解釋，他認(rèn)為此項(xiàng)工作正在書寫新的物質(zhì)基本屬性。一般來說，這些屬性對于具有相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(燒錄石晶格上的磁矩)的材料來說都是適用的。

　　研究人員認(rèn)為，此項(xiàng)技術(shù)將產(chǎn)生重要的影響。不過，最重要是，它標(biāo)志著人們首次在三維角度觀察到了磁單極子的分離。