科學家首次在實物中發現磁單極子的存在

2020-12-05 中華人民共和國科學技術部

    德國亥姆霍茲聯合會研究中心的研究人員在德國德勒斯登大學、聖安德魯斯大學、拉普拉塔大學及英國牛津大學同事的協作下，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際材料中出現的過程。該研究成果發表在9月3日出版的《科學》雜誌上。

　　磁單極子是科學家在理論物理學弦理論中提出的僅帶有北極或南極單一磁極的假設性磁性粒子。在物質世界中，這是相當特殊的，因為磁性粒子通常總是以偶極子（南北兩極）的形式成對出現。磁單極子這種物質的存在性在科學界時有紛爭，迄今為止科學家們還未曾發現過這種物質，因此，磁單極子可以說是21世紀物理學界重要的研究主題之一。

　　英國物理學家保羅·狄拉克早在1931年就利用數學公式預言磁單極子存在於攜帶磁場的管（所謂的狄拉克弦）的末端。當時他認為既然帶有基本電荷的電子在宇宙中存在，那麼理應帶有基本「磁荷」的粒子存在，從而啟發了許多物理學家開始了他們尋找磁單極子的工作。

　　科學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製造磁單極子，但均無收穫。此次，德國亥姆霍茲聯合會研究中心的喬納森·莫裡斯和阿蘭·坦南特在柏林研究反應堆中進行了一次中子散射實驗。他們研究的材料是一種鈦酸鏑單晶體，這種材料可結晶成相當顯著的幾何形狀，也被稱為燒錄石晶格。在中子散射的幫助下，研究人員證實材料內部的磁矩已重新組織成所謂的「自旋式義大利麵條」，此名得自於偶極子本身的次序。如此一個可控的管（弦）網絡就可通過磁通量的傳輸得以形成，這些弦可通過與自身攜帶磁矩的中子進行反應觀察到，於是中子就可作為逆表示的弦進行散射。

　　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，從而降低弦網絡的密度以促成單極子的分離。結果，在0.6K到2K溫度條件下，這些弦是可見的，並在其兩端出現了磁單極子。

　　研究人員也在熱容量測量中發現了由這些單極子組成的氣體的特徵。這進一步證實了單極子的存在，也表明它們和電荷一樣以同樣的方式相互作用。

　　在此項工作中，研究人員首次證實了單極子以物質的非常態存在，即它們的出現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，莫裡斯對此結果進行了進一步的解釋，他認為此項工作正在書寫新的物質基本屬性。一般來說，這些屬性對於具有相同拓撲結構（燒錄石晶格上的磁矩）的材料來說都是適用的。

　　研究人員認為，此項技術將產生重要的影響。不過，最重要是，它標誌著人們首次在三維角度觀察到了磁單極子的分離。

    （科技日報）

相關焦點

  • 重磅發現:磁單極子,在聲學領域首次亮相!
    磁單極子，在聲學領域首次亮相！科克大學(UCC)和牛津大學物理學教授謝默斯·戴維斯(Seamus Davis)帶領一組實驗物理學家發現了磁單極子流體產生的磁性噪聲。這是世界上第一次，研究小組發明了一種磁場噪聲譜儀，它可以讓人類感知到磁單極子噪聲。
  • 磁單極是個什麼鬼?
    磁單極的客觀概念是'發現'一種粒子或亞原子粒子是只存在於單一極化的新粒子，磁單極表象為'磁單極粒子'的存在，粒子亞原子粒子的集合體只能是'粒子的躍遷線性單極粒子能量排斥，粒子的存在是非'團簇'集合。中文名稱：磁單極外文名稱：Magnetic monopole磁單極是科學家在理論物理學弦理論中提出的僅帶有北極或南極單一磁極的假設性磁性粒子。
  • 發現磁單極子,能得諾貝爾獎嗎?
    即使再進一步劈下去，再小的磁鐵也會N極和S極，不存在只有一個磁極的磁鐵。不劈磁鐵，想製造一塊只有一個磁極的磁鐵也是不可能的。即使把一堆磁鐵以N極向外S極向內的形式擠在一起，得到的大塊頭也並非只有一個磁極。上世紀30年代初，大物理學家狄拉克用優美的數學公式預言只有一個磁極的粒子是可以單獨存在的，並將其命名為磁單極子。
  • 磁單極子之謎:為什麼沒有單一磁極的磁鐵
    麥克斯韋方程組是經典的電磁場理論，但是這個理論並不能完美解釋為何我們找不到磁單極子，也不能解釋為何電荷都是以固定值存在的。當科學家將麥克斯韋方程組拓展到包含磁單極子，電荷就只能以固定值存在，這使得經典電磁場理論與量子電動力學得到了統一。而在實驗方面，在實驗室裡構造類磁單極子、通過大型強子對撞機尋找磁單極子、甚至是在浩渺無垠的宇宙裡尋找它的存在，人們一直沒有放棄過對磁單極子的探索。
  • 神秘的磁單極子——大統一理論預言存在的磁單極子為何從未發現?
    當代最成功的物理理論無疑當屬量子力學中的標準模型，儘管這個理論中有19個參數是人為放進去的，並非由理論本身確定，而是依賴於實驗確定，所以難免給人一種因果倒置的感覺。在很多個版本的大統一理論（GUT）中，總是預計會出現一個現象，即在宇宙創世之初會產生大量的「磁單極子」。何謂「磁單極子」？一個「磁單極子」就是一個單一的磁北極或者磁南極。我們知道，在自然界中，磁極總是成對發現的。一塊磁鐵永遠都伴隨著兩個磁極——N極和S極，如果將一塊磁鐵一分為二，你是不可能得到兩個單獨的磁極的。恰恰相反，每個被分開的半塊磁鐵又擁有自己的N極和S極。
  • 磁單極的故事(編者按)
    1931年狄拉克利用數學公式預言了磁單極子的存在；可惜迄今為止，基本的磁單極粒子一直未能被發現。在大爆炸（Big Bang）宇宙模型的三大疑難問題中，「宇宙磁單極子問題」即為其一（另二個問題是「宇宙平坦性問題」和「宇宙視界問題」）。
  • 在太極文化中預測並尋找磁單極子是否存在
    在初中物理課本中我們學習了電磁轉化。它們就像一對孿生兄弟一樣電能生磁，磁能生電。通過用毛皮摩擦玻璃棒和用絲綢摩擦橡膠棒我們可以很容易的得到單獨存在的帶正電荷和帶負電荷的電子！但是不管我們怎麼玩弄一塊磁鐵永遠都得不到單獨的磁極子。因為磁極子永遠都是成對的以偶極子的形式出現。
  • 你覺得有沒有磁單極?尋找磁單極子的最新結果出爐!
    一個多世紀以來，物理學家們一直對這種明顯不存在孤立磁極或「磁單極子」的現象感到困惑。磁單極子的存在似乎是完全自然的；如果觀察到帶有磁荷的粒子，麥克斯韋方程將反映出電與磁之間的完全對稱性。但謎團依然存在：雖然所有已知粒子都是帶電或中性的，但還沒有發現任何粒子是帶帶磁性的，由保羅·狄拉克正式提出了磁單極子的理論。
  • 為什麼我們的宇宙沒有磁單極?
    但是磁單極子？ 據我們所知，它們不存在。 但是，如果確實如此，我們的宇宙將大為不同。想想，一會兒，電和磁是如何關聯的。如果有電荷移動（也稱為電流），它會產生一個垂直於電荷運動的磁場。 如果有一條直的電線流過電流，它會在電線周圍產生一圈磁場，而如果將載流電線彎曲成環形或線圈，則會在內部產生磁場。事實證明，這是雙向的。
  • 磁單極子噪音首次被「聽」到
    據物理學家組織網日前報導，英國牛津大學物理學教授塞穆斯·戴維斯率領一支實驗物理學家團隊，首次研製出一款磁場噪聲波譜儀，讓人類第一次「聽」到了一個磁單極子流產生的磁噪聲。        磁單極子是展現量子化磁荷的基本粒子。
  • 磁單極子,存在或不存在?
    如果只有一個出現，就稱之為單極子。電單極很普遍，任何一個帶有電荷的基本粒子都是，比如電子或者夸克。但是磁單極子？到目前為止，我們還從未在自然界發現它的蹤跡。在自然界中，哪怕科學家只找到一個磁單極子，那都深遠地改變現在的物理理論，以及改變我們對我們宇宙的認知。
  • 發現磁單極?量子氣體揭示彎曲單極子的第一個信號
    但是一些物理學理論預測了單極磁體的存在——這種情況類似於電荷，它們要麼是正極，要麼是負極。一種特殊的化身——以發現者名字命名的「陽單極子」——最初是在高能物理學的背景下被預測出來，但從未被觀察到。現在JQI的一個研究小組由博士後Seiji Sugawa和JQI研究員伊恩·斯皮爾曼(Ian Spielman)領導，他們成功地模仿了一種楊氏磁單極子，並使用了一種由rubidium原子組成的超古老氣體。
  • 科學家在固體內部造出了磁單極子
    據《科技日報》報導，德國科學家通過將細小的磁旋(磁鐵表面細小的磁尖)混合在一起，在混合點上製造出了一個人造磁單極子，其屬性與假設中的磁單極子一模一樣。科學家們表示，除了用於基礎研究之外，磁單極子或許也可以用於製造計算機零件。該研究成果已經發表在《科學》雜誌上。
  • 磁單極子:歷經百年追尋 仍然「芳蹤」難覓
    磁單極子或曾到訪過　　自從狄拉克提出磁單極子學說之後，磁單極子成為很多科學家眼中的「香餑餑」，他們對其進行了深入研究，也提出了各種假設。1994年，內森·塞伯格和愛德華·威滕兩位美國物理學家首次證明，磁單極粒子存在理論上的可能性。
  • 新設想:暗物質粒子或為暗磁單極子
    而且他們認為，隨著相關技術的不斷成熟，可以通過探測電子通過時相位的變化探測到暗磁單極子的存在。暗物質據信佔宇宙的四分之一以上，其餘大部分是更神秘的暗能量。我們無法直接看到暗物質，但暗物質的引力決定了遙遠星系和其他天體的形狀。
  • 物理學家們發現,可以創造出人造磁單極子
    來自科隆，慕尼黑和德勒斯登的一組研究人員設法創造了人造磁單極子，為此，科學家們合併了微小的磁旋風，即所謂的skyrmions，在合併時，物理學家能夠創造一個單極子，其特徵與保羅狄拉克在1931年假定的基本粒子相似，除了基礎研究，單極子也可能具有應用潛力，目前，世界上許多團體正在研究磁旋風是否可用於計算機部件生產的問題
  • 新的物理理論預言磁單極不存在
    本文大寫字母為矢量，本文只描述真空中質點的運動情況，不描述形狀物體在介質中的運動情況。電動力學指出，電有正電荷和負電荷，磁和電不同，沒有磁荷，磁場的N極和S極總是成對出現，宇宙中沒有單一存在的磁單極。但是，很多人仍然認為磁單極是存在的。
  • 恆星內部會存在某種外星生命嗎？宇宙弦和磁單極代替DNA的角色
    在小說中，只有當人類造訪他們的中子星時才會發現cheela外星文明。cheela文明在光年之外是無法探測到的，為了推進這個故事，Forward也做了大量的揮手動作。該團隊沒有依賴純核相互作用來扮演DNA的角色，而是提出了宇宙弦和磁單極子的概念。宇宙弦是一種假想的裂縫，可能是早期宇宙在物質產生過程中經歷相變時形成。
  • 磁單極的三世三生——本科生碩士生博士生層面的磁單極精講
    在球坐標系(r ,θ ,φ )中，磁荷量為qm 的磁單極的磁場是或者說，規範場理論是不是存在著沒有奇異性的磁單極解呢？吳大峻和楊振寧一直在思考這個問題。1968年，他們提出了下面的新方案[2] ：對θ ∈［0,(π/2)+0+ )的區域（稱為北大半球）取
  • 地球上是否存在只有一個磁極的磁鐵，單磁極是否可以獨立存在！
    在磁單極子的理論研究方面，除狄拉克最早提出的磁單極子學說外，還有其他一些科學家也曾提出過多種學說，各有其特點和根據。如著名的美籍義大利物理學家費米也曾經從理論上探討過磁單極子，並且也認為它的存在是可能的。