电磁的知识

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早在学习物理之前，我们所知道的第一个关于电磁的知识就是，每块磁铁都有两个磁极。把条形磁铁分成两段，就得到两块磁铁，每块依旧有南北两个磁极。我们知道凡是有磁场的物体，无论是整个地球还是铁原子，都是如此。没有单磁极这回事，而且奇怪的是毫无理由可循。但我们却有理由怀疑在宇宙中可能漂浮着单磁极的磁体——磁单极子。即使这些粒子存在，可能也相当罕见，但这并未阻止物理学家去寻找这些粒子。原因是：如果这些粒子存在，可能有助于解决长期以来关于宇宙性质的一些问题，说明大自然的基本力是如何联系在一起的。因此在过去的几十年中，物理学家一直在搜寻南极原冰层和月球尘埃，仔细检查从海床和基地火山采集的岩石，尝试在粒子对撞机中创建单极子，寻找宇宙射线与地球相撞的痕迹。

到目前为止，所有努力都一无所获。但之前，我和我的同事们以及其他研究团队偶然发现了类似天然单极子的迹象。我们发现的单极子限于特定的材料，只有在原子自旋以恰当的方式排列时才会出现。但与仍难以捉摸、相对不受约束的同类不同，它们确实提供了可能开发出新技术的希望。有一天我们或许可以像现在控制电荷流一样控制磁荷。要预测这项新功能的前景几乎是不可能的；我们可能会造出用全新方式执行计算或者存储信息或能量的设备。但在了解单极子能做什么之前，我们必须研究一下它们如何运作。

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对磁场的了解，很多可以追溯到19世纪中叶。那时詹姆斯•克拉克•麦克斯韦（JamesClerk Maxwell）介绍了一组方程式，展示了源于单一因素（电磁）的电力和磁力。麦克斯韦指出这种统一是对称的：改变磁场产生电流，电荷移动就产生磁场。但这种对称有其局限性。电荷可以是正电荷也可以是负电荷，但磁铁是偶极的。它们总有两个“磁荷”：北极和南极。

1931年之前这种局限性或多或少还只是一个谜。物理学家保罗•狄拉克（Paul Dirac）指出磁荷（即磁单极子）的存在有助于解释看似平常的事实：为何电子和其他带电粒子只有量子数（即整数倍）的基本电荷。这一点实现后，那么即使磁单极子离我们的日常生活很远，也还是可能存在的。更多的理论工作让这一想法复活了，因为粒子也可能在大统一理论中出现，将自然界的基本力联系在一起。

这些单极子是自由浮动粒子，在真空中随意飞来飞去。但在2008年，三位理论物理学家——克劳迪奥•卡斯特尔诺沃（Claudio Castelnovo）、罗德里希•默斯纳（Roderich Moessner）和西瓦吉•颂提（Shivaji Sondhi）认为，我们应该能在地球的特殊晶体中找到类似这种单极子的东西。这种单极子不是基本粒子；它们只能在特定材料中存在，由其他粒子的集体行为形成。但从技术角度讲它们是单磁荷，并以基本的单极子可能采取的交互方式相互作用。

研究小组建议在接近绝对零度的自旋冰（离子排列成金字塔状——称为四面体——的一类独特材料）中寻找这些被困的单极子。这些四面体堆叠在一起，形成一种晶体，称为烧绿石。

烧绿石中金字塔每个角的原子是磁偶极子。就像一个条形磁铁，从一侧（物理学家往往按惯例称之为“北”）产生一个磁场，围绕原子，最终进入另一端（“南”）。物理学家把这种磁场简单地描述为以原子为中心指向北方的箭。箭是磁性的标志，也对应原子的“自旋”，即原子的内禀角动量。自旋是一种量子力学概念：物理角度而言原子不会旋转，它们的角动量体现在其他方面，如放射性原子衰减时次级粒子的轨迹。

就像条形磁铁一样，这些自旋以电磁方式交互，并尽力自我调整，以便达到平行或反向平行。但让自旋冰与众不同的是（也是它们名字的来历），晶体的几何形状造成的自旋组态。

若晶体材料的温度相对较高，试图调整自旋的力量轻易就被热起伏压制。自旋的方向是随机的，且可以很容易地改变方向。将材料冷却到绝对零度以上几度，自旋之间的力量开始占主导地位。原子的自旋自然地开始调整到最低、最稳定的能量状态：每个四面体四个顶点的自旋遵循两个向内、两个向外的排列规则。

这种两进两出的排列方式称为冰组态规则，之所以叫这个名字，是因为它与普通的水冰晶体中氢键形成的方式类似。每个氧原子都有两个距离近和两个距离远的氢离子。自旋冰往往会遵循冰规则，但调整过程并不完美。有时样品冷却时形成缺陷，还有时候一点热能就可导致自旋改变方向，最后，一些四面体三个自旋方向一致，只有一个自旋为反方向。研究人员虽已了解了这些违反规则的情况，但卡斯特尔诺沃和他的同事们认为，这可能会有更重要的物理意义。

由于磁场的覆盖范围远在每个原子之外，研究人员建议将每个原子中的自旋想象成延伸的哑铃。连杆以原子核为中心，最后产生两个不同的磁荷：位于一个四面体中心的北极和位于另一个四面体中心的南极。在其中一个四面体中心，四个角的磁极或者相互抵消，或者叠加。

如遵循冰规则，两个北极和两个南极会相互抵消。但有意思的是：如果不遵循冰规则，例如三个自旋向内，一个向外，中心的三个北极和一个南极就会形成单一的北磁极。这样，我们就得到了单极子。同样，一进三出的排列方式就会形成单一的南磁单极子。

不仅如此。因为四面体的每个顶点都是与相邻的四面体共用的，因此如果自旋在一个四面体中违反冰规则，那么在另一个四面体中也会违反冰规则，在相隔一个四面体的距离外形成另一个极性相反的磁单极子。因此，对每个单极子而言，都有一个电荷相反的单极子。如果同一个自旋翻转，或旋转180度，就会遵守自旋冰规则，这对单极子就基本上被抵消了。

这些自旋冰单极子只有能够移动，才能被视为真正的磁性粒子，而不只是异常的磁力活动。但卡斯特尔诺沃和他的同事们指出，两个单极子应能够彼此分离，独立地穿过自旋冰。单极子四面体中另一个自旋翻转，自旋再次相抵，但在相邻四面体中不再平衡。单极子将有效地从一个四面体转到另一个。这就有可能形成电流的磁性模拟：“磁流”。

2008年1月，这个设想在《自然》杂志发表，实验搜寻没有花太长时间。那时，我在柏林亥姆霍兹材料与能源中心做博士后。我的同事兼合作者亚伦•泰宁特（Alan Tennant）和圣地亚哥•格里格拉（Santiago Grigera）已在自旋冰方面研究了几个月。他们一直在研究某一特定自旋冰（一种由氧、钛和稀有元素镝组成的化合物）冷却到0.6K以下时出现的某种反常现象。论文发表后，他们改变了工作重心，我和同事泰宁特、格里格拉以及另一位成员雪莉•鲁尔（Kirrily Rule）一道寻找磁单极子存在的证据。

我们利用了现有的有力工具：中子束。因为中子没有电荷，可以很容易地穿过材料中的大部分空间，只有在遇到原子中心的原子核时才散射开来。但它们也有内禀磁矩，因此遇到原子磁场可以转向。发射一束中子穿过材料，它们在另一侧的模式可显示磁结构中某些可能导致中子衍射的特性。这是物理学家研究很多课题（如蛋白质的结构、喷气发动机叶片应力以及超导体的磁力相互作用）的标准方法。

在自旋冰中，中子特别适合了解自旋之间的关系——一个自旋的排列与另一自旋的联系程度。可以将这些排列比作“偏振管”，即按惯例从南到北流动的自旋链。在遵循冰规则的普通四面体中，有两个这样的偏振管穿过中心；进入四面体时每一个偏振管的自旋北面向内，离开四面体时北面向外。如冰规则被打破，只有一个偏振管穿过四面体，其他两个偏振管将在中心终止。这些终结点就是可能产生单极子的地方。否则，材料中的偏振管可能没有终点（只是循环）。

当中子散射在偏振管时，会在中子击中探测器的位置留下明显的图案。但很难推断形成这种图案的结构。自旋冰中的所有偏振管就像一碗意大利面，如果你试图追踪其中一根，很快就会迷失在一个3D网中。

为了简化问题，我们想出了一个办法，就是用叉子来挑面条，通过施加磁场分离出偏振管。当对自旋冰施加足够强的磁场，所有的自旋就会沿着磁场的方向，因为都指向相同的方向，偏振管受到摩擦。当磁场减弱，自旋的相互作用能够克服外部磁场，自旋方向开始翻转与磁场相对。这些翻转的自旋形成短“弦”，即在中子数据中更容易看到的偏振管部分。查看作为外加磁场函数的数据，可以发现，这些弦沿磁场方向生长，但也稍有曲折。

如果磁单极子存在，并有足够的能量彼此分离，留下一串翻转的自旋，那么这与我们所预计的结果一致。但是，需要一种方法来确认在弦终结处是否有单极子存在。

幸运的是，我们柏林的同事克莱门斯•兹特纳斯提（Clemens Czternasty）、巴斯蒂安•克勒姆克（Bastian Klemke）和迈克尔•迈斯纳（Michael Meissner）做了这样一个实验。他们研究自旋冰的热容量，衡量需要多少能量来改变材料的温度。热容量与材料可采用的不同排列数量相关：对于水而言，与氢原子和氧原子可能的排列数量对应；对于自旋冰，则与自旋取向的数量相关。可能的排列数量与材料可用的能量相关，所以热容量是一种非常灵敏的系统状态衡量方法。

柏林的研究小组发现，在非常低的样品温度，提高温度需要的热量非常少。随着温度的下降，热容量也急剧下降。研究组最初以为设备出了什么故障，但是，反复测量证实了这一结果。我们向卡斯特尔诺沃和他的同事们提交数据后，他们首先试图利用只基于自旋的简单材料模型验证这个结果。但他们发现要得到与数据相符的结果，唯一的办法就是假定存在具有自己的物理交互的磁单极子。估计我们在每立方厘米创建了约600个单极子。

有了这方面的证据，我们的研究小组开始准备研究论文。但我们很快发现，其他研究小组也在做这方面的工作。2009年3月，法国的两位理论物理学家在《自然•物理学》上发表论文，指出如果假设存在磁单极子，他们可以更好地拟合一些老的磁性数据。这在媒体上掀起了涟漪，但我们意识到我们的发现更详细，因此我们没有气馁。随后2009年5月，我在国际中子散射会议上看到首都大学东京的门胁广明（Hiroaki Kadowaki）小组的工作演示。后来，我们在向《科学》杂志提交论文之前发现该杂志正在审议另外两篇论文。

最终，三个实验小组相继报告发现磁单极子的证据。后来我们的论文与汤姆•芬内尔（Tom Fennell）领导的英法小组（后来在劳厄-郎之万研究所进行研究）提交的论文在《科学》上发表。该团队报告称，有证据证明，随着温度下降，自旋冰中弦不断增长，这表明如果磁单极子存在，它们会在样品中彼此远离。大约在同一时间，门胁广明的研究团队报告中子散射的结果似乎与作为单极子密度函数的散射模拟匹配。

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我们在《科学》发表论文后，我一直被追问的一个问题是，我们在自旋冰中发现的单极子是否可以被视为是“真正的”磁单极子。

它们当然不是粒子物理学家几十年来一直梦想寻找的那些粒子。自旋冰中的磁单极子不可能在自由空间中存在。从某种意义上说，它们不是真正的粒子。物理学家更喜欢称它们为准粒子：其他粒子集体行为产生的粒子状实体。准粒子很常见。例如，许多现代的半导体器件都是依靠空穴（即缺少电子后带正电的“粒子”）的流动。

如果这些单极子不是粒子物理学家寻找的对象，我们可以名正言顺地称它们为磁单极子吗？我们的研究小组进行的热容量测量表明，自旋冰单极子似乎真的带有磁荷，它们之间的交互酷似正负磁荷在真空中交互的基本方式。

与此同时，它们是俘获粒子。这就引发了一些有趣的问题。2011年，柏林的同事克勒姆克意识到发布的所有低于0.6K的热容量数据都不相同。此外，该温度范围的磁化测量结果与理论不符。一些理论家们指出，之所以存在这些不一致，是因为在低温下，自旋翻转可用的能量很少。自旋冰达到平衡时，可能被困在特别不利的组态中，而且若没有非常协调的同时自旋翻转，就很难脱离这种不利组态。这意味着对这种材料而言，将需要很长一段时间找到最有利的形状。事实上，由大卫•波马兰斯基（DavidPomaranski）领导的加拿大小组报告，在非常低的温度下，自旋冰“放松”可能需要几周的时间；在绝对零度以上一度，可能只需要百分之一秒。

因为我们整理基础物理原理，考虑应用的问题。一个有趣的可能性是“磁电（magnetricity）”，即磁形式电力。有了适当的磁场，单极子有可能穿过自旋冰，就像电压使电流穿过电线一样。但由于自旋冰几何形状的特殊性，磁电流没那么简单。由于单极子移动，使自旋翻转，另一个单极子沿相同的路径移动是不可能的。这排除了单极直流，但却可能产生单极交流电流和设备。

由于自旋可在自旋冰中翻转，所以该材料也可能阻挡磁场，像电介质一样存储磁能。此外，有一些证据表明，就像在半导体添加杂质提高充电性能一样，也可能在材料中掺加杂质。各项实验表明，如果在混合物中添加更多的磁性离子，磁单极子可以以较慢的速度穿过自旋冰。如果在自旋冰中掺加杂质改变磁单极子穿过材料的速度，那么基本电气设备元件（如电容和接头）的磁性模拟也不是不可能的。

要造出实用的磁电设备，还需要解决几大难题。一个是样品纯度：即使是微小的结构缺陷也可能阻挡单极流。另一个是温度。要冻结自旋冰和建立单极子，必须将材料冷却到非常低的温度，通常约为绝对零度以上一度，即约1K或-272℃。目前是否能造出在更实际的温度进行自旋冰转变的材料还不清楚。材料原子的磁矩或原子之间的相互作用必须很大，以抵消较高温度下热能的加扰效应，以目前所知还不存在这样的材料。

现在有一种可供选择的单极子系统——“人工自旋冰”。这些人造材料是由铁磁材料（如钴）的纳米级颗粒（片状或线状）制成的二维系统。选择一个颗粒的尺寸，从而原子磁矩指向相邻四面体之间的一个顶点。如果这些颗粒排列为蜂窝状或方形结构，就可以使它们的磁矩遵循冰规则。方形晶格将像普通的自旋冰一样遵循相同的两进两出规则。在蜂窝晶格中，三个颗粒在每个顶点相交，始终有一个多余的磁荷。

如何知道这些磁荷是否存在？令人难以置信的是，它们可以利用磁力显微镜成像。伦敦帝国学院的研究团队观察到人工磁单极子，甚至能够观看这些单极子在磁场影响下的移动。这些材料在室温下稳定，一些研究人员说可能造出有用的内存设备。但是，目前人工自旋冰颗粒的尺寸在100纳米范围内，按照现有的行业标准，这个尺寸还是太大。

尽管如此，磁单极子仍处于初期阶段，不排除会出现人类还未想象到的强大应用。磁电革命可能只是初现端倪。