電磁理論革命,首在天然礦物表面發現僅帶單一磁極的「磁單極子」

作者 | 發布日期 2023 年 12 月 08 日 11:34 | 分類 材料 , 自然科學 line share follow us in feedly line share
電磁理論革命,首在天然礦物表面發現僅帶單一磁極的「磁單極子」


物理規則表明只有一個磁極的磁體不可能存在,但微觀世界的粒子行為通常會改變規則。最近,物理學家首度在天然礦物「赤鐵礦」中發現磁單極子,可能成下一個物理學聖杯,不只有助打造更快、更節能電腦記憶體,電磁理論或許需部分改寫,物理學、天文學將有重大進展。

磁單極子(Magnetic monopole)指僅帶單一磁極的基本粒子,與我們熟悉的磁鐵──同時具 N 極與 S 極的磁偶極子(magnetic dipole)不同,前者磁感線分布類似點電荷的電場線分布,或者說是攜帶孤立「磁荷」的基本粒子。

無論貼在冰箱的磁鐵還是地球本身,始終具有一對無法孤立的相反磁極,迄今為止也尚未發現以基本粒子形式存在的磁單極子證據,但磁單極子是 21 世紀物理學界和天文學界熱門研究主題之一,因為磁單極子相互作用過程與一般電磁現象截然不同,不僅涉及物質磁性來源、電磁現象對稱性,還與宇宙極早期演化、微觀粒子結構等相關。

數個尚未得到實驗證實、超越標準模型的理論(如大一統理論、超弦理論)都預測有磁單極子,若能找到它們,就像找到拼圖缺失的一塊。

最近劍橋大學、牛津大學、新加坡國立大學團隊使用「鑽石量子感測」技術,觀察赤鐵礦表面的旋轉紋理和微弱磁性訊號,第一次透過實驗觀察到自然發生的磁單極子。

▲ 研究人員在赤鐵礦材料表面發現磁單極子。(Source:劍橋大學

科學家尋找磁單極子的策略涉及湧現(emergence)概念,當許多物理小實體組成產生大實體,後者會展現大於或不同小實體具有的特性,而研究人員說這就是赤鐵礦表面發生的情況。

漩渦拓樸結構存於主要 2 種類型材料:鐵磁體和反鐵磁體,其中反鐵磁體比鐵磁體更穩定也更難研究,因為它們不具有強磁性特徵。

為了研究反鐵磁體行為,研究人員使用鑽石量子磁力測量成像技術精確測量反鐵磁性材料「氧化鐵」的表面磁場(不影響其行為),發現表面一群粒子聯合起來,產生與只有一個磁極的單一粒子相同效果。

赤鐵礦(Hematite)是一種常見氧化鐵化合物,分子式 Fe2O3,在赤鐵礦中微小的磁單極子透過許多自旋集體行為出現,它們於赤鐵礦表面旋轉紋理上滑動並發散磁場,就像微小的磁荷冰球。

該研究不僅凸顯鑽石量子磁力測量潛力,還強調量子材料隱藏的磁性現象,若能加以控制,這些帶磁荷的旋轉紋理將能為超快速、更節能的電腦記憶體邏輯提供動力,物理學、天文學基礎理論也會有重大發展,人們對宇宙起源的認知也會更深入。

新論文發表在《自然材料》(Nature Materials)期刊。

(首圖來源:Wikipedia Loves Art participant “Assignment_Houston_One", CC BY-SA 2.5, via Wikimedia Commons)