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莫里斯和阿兰·
坦南特在柏林研究反应堆中进行了一次中子散射实验。
他们研究的材料是一种钛酸镝单晶体,这种材料可结晶成相当显著的几何形状,也被称为烧录石晶格。
在中子散射的帮助下,研究人员证实材料内部的磁矩已重新组织成所谓的“自旋式意大利面条”,此名得自于偶极子本身的次序。
如此一个可控的管(弦)网络就可通过磁通量的传输得以形成,这些弦可通过与自身携带磁矩的中子进行反应观察到,于是中子就可作为逆表示的弦进行散射。
在中子散射测量过程中,研究人员对晶体施加一个磁场,利用这个磁场就可影响弦的对称和方向,从而降低弦网络的密度以促成单极子的分离。
结果,在0.6K到2K温度条件下,这些弦是可见的,并在其两端出现了磁单极子。
研究人员也在热容量测量中发现了由这些单极子组成的气体的特征。
这进一步证实了单极子的存在,也表明它们和电荷一样以同样的方式相互作用。
在此项工作中,研究人员首次证实了单极子以物质的非常态存在,即它们的出现是由偶极子的特殊排列促成的,这和材料的组分完全不同。
除了上述基本知识外,莫里斯对此结果进行了进一步的解释,他认为此项工作正在书写新的物质基本属性。
一般来说,这些属性对于具有相同拓扑结构(烧录石晶格上的磁矩)的材料来说都是适用的。
研究人员认为,此项技术将产生重要的影响。
不过,最重要的是,它标志着人们首次在三维角度观察到了磁单极子的分离。
磁单极子的新进展
英国物理学家PaulDirac在1931年利用数学公式首次预言了磁单极子的存在,当时他认为既然带有基本电荷的电子在宇宙中存在,那么理应带有基本“磁荷”的粒子存在。
美国物理学家NathanSeiberg和威滕(EdwardWitten)于1994年首次证明磁单极子存在理论上的可能性。
但在先前进行的研究中,科学家主要通过间接测量的方式寻找磁单极子,但在本周出版的《科学》杂志上,研究人员首次直接通过实验记录到磁单极子对自旋冰(spinice)晶体的作用。
法国Laue-Langevin研究院TomFennell领导的团队和HelmholtzCentreBerlinforMaterialsandEnergy的JonathanMorri领导的团队都从自旋冰晶体观察到了类似磁单极子的粒子,在自旋冰晶体中磁性离子的排列与冰中氢离子的排列相近。
磁性离子位于四面棱体的各个顶点上,在接近绝对零度的温度下,它们会以一个简单的法则组织起来:
每个四面体上,两个离子向内朝着中心指向北极,另外两个向外。
为了观察磁单极子,研究人员利用中子去测量自旋冰晶体内原子的散射模式。
结果发现,散射的变化与假设磁单极子存在的计算机模型预测的一致。
arXiv.org上的一篇预印本称每个磁单极子的磁荷为4.6x10-13焦耳/特斯拉米。
数十年来,科学家一直在寻找磁单极子:
一种不同于传统磁体的粒子,只具有北极或南极的单一磁极。
在本周出版的《科学》杂志上,两个凝聚材料物理学家团队分别独立的宣布探测到了磁单极子,而预印本网站arXiv.org上的两篇未发布论文,则提供了更多证据。
大约100年前就有人预测了磁单极子的存在。
今年9月份,两个独立的研究团队在《科学》杂志上发表论文,声称从自旋冰晶体中发现了磁单极子存在的直接证据。
随后,其中一个团队展开进一步研究,展示了这些“准粒子”磁荷能移动,形成“磁流”,类似电子移动形成电流。
他们观测到了真正的“磁流”,确定了“磁荷”的基本单位。
这些发现说明电与磁之间存在完美的对称性。
研究人员已经发现了一种等价于电流的磁流,他们发现磁单极子具有类似电荷的行为和相互作用。
这项研究是磁单极子的首次应用。
报告发表在《自然》杂志上,研究人员称磁单极子像电流那样形成“磁流”,这一现象可用于磁储存和计算。
磁单极子
一般看来,磁的来源总是同电相关的,即由电的运动(电流)产生磁场,而且产生物质磁性的磁矩也是同自旋和电荷相联系的。
这样磁矩的两个磁极(北极和南极,或称正磁极和负磁极)便是不能分开和分离存在的。
这同物质的电性是很不相同的。
因为电性中既有电矩(带有正电极和负电极)的存在,也有分开的正电荷和负电荷的存在。
这样就造成了磁和电的不对称,使描述电磁现象的麦克斯韦电磁方程组也显得不对称,例如电通密度的散度为电荷密度,而磁通密度的散度却为零(0),因为只有磁矩,没有分离的磁荷(磁极)。
但是获得1933度诺贝尔物理学奖的英国物理学家狄拉克在1931年提出了磁单极子理论。
这位物理学家既在创建相对论性量子电动力学理论上有过重要贡献,而且还有先提出了反物质学说、磁单极子学说和基本物理常数随时间变化学说,其中反物质学说已在实验上得到证实,并成为阿尔法磁谱仪的重点研究对象。
而磁单极子学说自从1931年提出以来,到现在一直受到实验观测和理论研究的重视。
这是因为磁单极子问题不仅涉及物质磁性的一种来源,电磁现象的对称性,而且还同宇宙极早期演化理论及微观粒子结构理论等有关,故成为科学界关注的一个重要问题。
例如在实验观测方面,曾利用多种高能加速器进行许多实验,但都未能产生出磁单极子;
曾对地球古代大陆岩石和海洋底岩石、从天外降落到地球上的各种陨石、从月球带回地球的月球岩石等进行观测也未观测到磁单极子及其留下的特征径迹,曾利用高空气球和空间飞行器上的粒了探测器探测磁单极子,在很多次探测中仅观测到一次的粒子径迹(图2),经多方面分析研究,认为很可能是磁单极子的径迹,但至今尚未得到重复证认;
还曾多次在地面实验室中利用高灵敏度和高磁屏蔽的超导量子干涉仪(SQUID)式磁强计进行磁单极子的探测,进行了长达151天的日夜不停的磁单极子探测,仅有一次观测结果(图3)经仔细分析研究,排除了多种干扰,认为是一次磁单极子事例,但是后来虽然经过多次重复探测,并且改进和增大了测量装置,提高了测量灵敏度,但是都未能再观测到磁单极子。
总的说来,几十年来经过多方面和大量的关于磁单极子的实验观测,虽然曾有过两次可能是磁单极子观测事例,但都尚未能得到重复证实。
图1 电离探测器在高空探测磁单极子的实验结果
图2 在地面用超导量子干涉仪在实验室探测磁单极子的实验结果
在磁单极子的理论研究方面,也曾提出过多种的学说,各有其特点和根据。
例如,除狄拉克最早提出的磁单极子学说外,还有:
磁荷和电荷完全对称并具有新的量子化条件的全对称磁单极子学说;
由著名华裔物理学家、诺贝尔物理学奖获得者杨振宁教授等提出的采用纤维丛新数学方法的量子力学磁单极子学说;
应用统一规范场理论的规范磁单极子学说;
应用爱因斯坦-麦克斯韦耦合场的相对论性耦合场磁单极子学说;
应用超弦理论和4维规范模型的超重磁单极子学说;
超对称和超弦磁单极子学说等。
总的看来,涉及磁学、电磁对称、宇宙早期演化和微观基本粒子结构等多方面的磁单极子问题是仍需要从实验观测和理论方面继续进行研究的科学问题。
反常霍尔效应提供磁单极存在的间接证据
图3反常霍尔效应
自然界中,磁极总是南极北极成对出现的,而不象电子以孤立的正电子或负电子形式存在。
1913年,狄拉克曾预言存在磁单极,即存在孤立的磁南极或磁北极,这样的基本粒子叫做磁单极子。
但实验上至今没有发现磁单极子的确切证据。
最近一组来自日本、中国、瑞士的科学家报告他们发现了磁单极子存在的间接证据。
他们在铁磁晶体中观察到反常霍尔效应,并且认为只有假设存在磁单极子才能解释这种现象。
电场和磁场之间缺少对称是物理学上最老的谜团之一。
为什么电子有正负电荷之分,而南北磁极却不可分离呢?
狄拉克将磁单极子的存在和电荷量子化联系在一起——这是另一个还没搞清楚的谜团
——但磁单极子确实在实验中还未被发现过。
一些寻求统一电弱与强相互作用的理论也预言了磁单极子的存在。
但这些所谓大统一理论预言的单极子的质量对于实验来说太大了,大约有1016千兆电子伏。
来自位于Tsukuba的AIST(theNationalInstituteofAdvancedIndustrialScienceandTechnology)的YoshinoriTokura和他的合作者们没有在实空间中寻找磁单极子,而是到动量空间中寻找。
物理学家们利用了凝聚态物质中费米面(Fermisurfaces)、布里渊区(Brillouinzones)所构造的动量空间。
这个小组被一个近来的理论工作所启发,这个理论提出,动量空间中磁单极子的行为和反常霍尔效应有密切联系。
Tokura和合作者们将一个由锶、钌和氧制成的晶体放进一个指向z极的磁场,然后在电流通过x方向时,测量横向的电阻系数,即y方向的电阻系数。
他们发现电阻系数并没按预料中的随温度线性变化,而是起伏变化,甚至改变了符号。
研究者们还用高分辨率的克尔显微术(Kerrmicroscopy)测量了晶体一层薄片的横向光电导率,发现了一个在低能时的尖峰。
按照Tokura及其合作者的解释,这个尖峰只能由晶体能带结构中存在磁单极子来解释。
中日瑞小组相信,这两个反常效应是磁单极子存在的“指纹”。
现在小组计划寻找能够显示更强的反常效应的物质。
“这个电磁学规律是物理学每个领域的新起点,”小组成员KeiTakahashi说,他来自日内瓦大学(theUniversityofGeneva),“从这个观点出发,我们已经证明我们能利用固态晶体的实验能够验证包括粒子物理和宇宙物理中的大多数物理问题。
”
DiracStringsandMagneticMonopolesinSpinIceDy2Ti2O7
D.J.P.Morris1*,D.A.Tennant2*,S.A.Grigera3*,B.Klemke2,C.Castelnovo4,R.Moessner5,C.Czternasty1,M.Meissner1,K.C.Rule1,J.-U.Hoffmann1,K.Kiefer1,S.Gerischer1,D.Slobinsky6,R.S.Perry7
1Helmholtz-ZentrumBerlinfü
rMaterialienundEnergie,GlienickerStr.100,BerlinD-14109,Germany.
2Helmholtz-ZentrumBerlinfü
rMaterialienundEnergie,GlienickerStr.100,BerlinD-14109,Germany.;
Institutfü
rFestkö
rperphysik,TechnischeUniversitä
tBerlin,Hardenbergstr.36,BerlinD-10623,Germany.
3SchoolofPhysicsandAstronomy,NorthHaugh,StAndrews,FifeKY159SS,UK.;
InstitutodeFí
sicadeLí
quidosySistemasBioló
gicos,CONICET,UNLP,LaPlata,Argentina.
4RudolfPeierlsCentreforTheoreticalPhysics,1KebleRoad,OxfordOX13NP,UK.
5MaxPlanckInstitutfü
rPhysikKomplexerSysteme,Nö
thnitzerStr.38,D-01187Dresden,Germany.
6SchoolofPhysicsandAstronomy,NorthHaugh,StAndrews,FifeKY159SS,UK.
7SchoolofPhysics,UniversityofEdinburgh,MayfieldRoad,EdinburghEH93JZ,UK.
*Towhomcorrespondenceshouldbeaddressed.
D.J.P.Morris,E-mail:
jonathan.morris@helmholtz-berlin.de
D.A.Tennant,E-mail:
tennant@helmholtz-berlin.de
S.A.Grigera,E-mail:
sag2@st-and.ac.uk
Whilesourcesofmagneticfields—magneticmonopoles—havesofarprovenelusiveaselementaryparticles,severalscenarioshavebeenproposedrecentlyincondensedmatterphysicsofemergentquasiparticlesresemblingmonopoles.Aparticularlysimplepropositionpertainstospiniceonthehighlyfrustratedpyrochlorelattice.Thespinicestateisarguedtobewell-describedbynetworksofaligneddipolesresemblingsolenoidaltubes—classical,andobservable,versionsofaDiracstring.Wherethesetubesend,theresultingdefectlookslikeamagneticmonopole.Wedemonstrate,bydiffuseneutronscattering,thepresenceofsuchstringsinthespiniceDy2Ti2O7.Thisisachievedbyapplyingasymmetry-breakingmagneticfieldwithwhichwecanmanipulatedensityandorientationofthestrings.Inturn,heatcapacityisdescribedbyagasofmagneticmonopolesinteractingviaamagneticCoulombinteraction.
TheeditorssuggestthefollowingRelatedResourcesonSciencesites:
InScienceMagazineMagneticCoulombPhaseintheSpinIceHo2Ti2O7
T.Fennell,P.P.Deen,A.R.Wildes,K.Schmalzl,D.Prabhakaran,A.T.Boothroyd,R.J.Aldus,D.F.McMorrow,andS.T.Bramwell(16October2009)
Science326(5951),415.[DOI:
10.1126/science.1177582]
|ObservingMonopolesinaMagneticAnalogofIce
MichelJ.P.Gingras(16October2009)
Science326(5951),375.[DOI:
10.1126/science.1181510]
|
DiracStringsandMagneticMonopolesintheSpinIceDy2Ti2O7
D.J.P.Morris,1,*D.A.Tennant,1,2,*S.A.Grigera,3,4,*B.Klemke,1,2C.Castelnovo,5R.Moessner,6C.Czternasty,1M.Meissner,1K.C.Rule,1J.-U.Hoffmann,1K.Kiefer,1S.Gerischer,1D.Slobinsky,3R.S.Perry7
Sourcesofmagneticfields—magneticmonopoles—havesofarprovenelusiveaselementaryparticles.Condensed-matterphysicistshaverecentlyproposedseveralscenariosofemergentquasiparticlesresemblingmonopoles.Aparticularlysimplepropositionpertainstospiniceonthehighlyfrustratedpyrochlorelattice.Thespin-icestateisarguedtobewelldescribedbynetworksofaligneddipolesresemblingsolenoidaltubes—classical,andobservable,versionsofaDiracstring.Wherethesetubesend,theresultingdefectslooklikemagneticmonopoles.Wedemonstrated,bydiffuseneutronscattering,thepresenceofsuchstringsinthespinicedysprosiumtitanate(Dy2Ti2O7).Thisisachievedbyapplyingasymmetry-breakingmagneticfieldwithwhichwecanmanipulatethedensityandorientationofthestrings.Inturn,heatcapacityisdescribedbyagasofmagneticmonopolesinteractingviaamagneticCoulombinteraction.
rMaterialienundEnergie,GlienickerStr.100,D-14109Berlin,Germany.
2Institutfü
tBerlin,Hardenbergstr.36,D-10623Berlin,Germany.
3SchoolofPhysicsandAstronomy,NorthHaugh,St.Andrews,FifeKY159SS,UK.
4InstitutodeFí
5RudolfPeierlsCentreforTheoreticalPhysics,1KebleRoad,OxfordOX13NP,UK.
6Max-Planck-Institutfü
7SchoolofPhysics,UniversityofEdinburgh,MayfieldRoad,EdinburghEH93JZ,UK.
*Towhomcorrespondenceshouldbeaddressed.E-mail:
jonathan.morris@helmholtz-berlin.de(D.J.P.M.);
tennant@helmholtz-berlin.de(D.A.T);
sag@iflysib.unlp.edu.ar(S.A.G.)
Despitesearchingwithinthecosmicradiation,particlecolliders,andlunardust,freemagneticmonopoleshavenotbeenobserved(1,2).Thisisparticularlydisappointinggiventhatunificationtheorieshavepredictedtheirexistence.Dirac’soriginalvisionformonopolesinvolvesastringsingularitycarryingmagneticflux,theendsofwhichactasnorthandsouthmonopoles.Wereporttheobservationofanalogousstringsandmagneticmonopolesinspinice,magneticcompoundDy2Ti2O7withapyrochlorelatticestructure.Thisisarealizationofmagneticfractionalizationinthreedimensions,aseparationofnorthandsouthmonopoles.
Dysprosiumtitanatecontainsmagnetic162Dyionsinthehighlyfrustratedpyrochlorelatticethathaveferrom
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