Only Perception: 首度在真的磁鐵中偵測到磁單極子

2009-10-21

首度在真的磁鐵中偵測到磁單極子

Magnetic monopoles detected in a real magnet for the first time
http://www.physorg.com/news171209923.html

September 3rd, 2009

來自 Helmholtz Centre Berlin 的研究者，在與來自 Dresden, St. Andrews、La Plata 以及牛津的同僚合作下，首度觀測到磁單極子（magnetic monopoles，理論中帶有「磁荷」的粒子），以及它們如何從真正的材料中浮現。他們的結果於 9/3 發表在 Science 期刊的 Science Express 網站上。

磁單極子是種由物理學家所提議的假設粒子，攜有單一磁極，既非北極亦非南極。在物質世界中這相當異常，因為通常觀測到的磁性粒子都是雙極，北與南極結合。然而，這裡有數種理論預測磁單極的存在。其中，在 1931 年物理學家 Paul Dirac（迪拉克）由其計算導出這個結論：磁單極子可存在於管（tubes） -- 稱為 Dirac strings（迪拉克線、迪拉克弦） -- 的末端，那荷載磁場。到目前為止它們依然未被偵測到。

Jonathan Morris、Alan Tennant 與同僚（HZB）在柏林的研究用反應器中進行中子散射實驗。所研究的材料是鈦酸鏑（Dysprosium Titanate）的單晶。這種材料以一種相當非凡的幾何學結晶化，那也稱為焦綠石晶格（pyrochlore-lattice）。在中子散射的協助下，Morris 與 Tennant 證明，此材料中的磁力矩已重整（reorganised）為所謂的「Spin-Spaghetti（旋轉義大利麵條）」。這個名稱來自於磁雙極本身的排列方式，藉此磁通量（magnetic flux）才得以傳輸。這可透過它們與中子（它們自己帶有磁力矩）的交互作用而能夠看見。因此，中子散射可成為 Dirac strings 的一種相應呈現。

在中子散射測量期間，研究者對此結晶體施以一磁場。利用這個磁場，他們能影響 Dirac strings 的對稱性及方向。因而有可能減少 Dirac strings 網絡的密度並促進磁單極子的分離（dissociation）。結果，在 0.6 到 2 Kelvin 的溫度下，可以看見 Dirac strings，同時磁單極子出現在它們的末端。

由這些單極子所構成之氣體的特徵，也在 Bastian Klemke (HZB) 所測量的熱容量中被觀察到。這位磁單極子的存在提供了更進一步的確定，並證明它們的交互作方式如同電荷。在這項研究中，研究者因物質浮現的狀態，首度證明磁單極子的存在 -- 即，它們從雙極的特殊排列中浮現，且與材料的構成完全不同。

順著這種基礎知識，Jonathan Morris 解釋這些結果的更深層意義："我們正寫下關於物質的新、基礎特性。對於具有相同拓撲的物質而言，這些特性通常有效，那就是焦綠石晶格上的磁力矩。對於新技術的發展，這有重大的影響。尤其是那意味著，首度在三維中觀察到分離。"

※ 相關報導：

＊ Dirac Strings and Magnetic Monopoles in the Spin Ice Dy2Ti2O7
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/326/5951/411

D. J. P. Morris, D. A. Tennant, S. A. Grigera, B. Klemke,
C. Castelnovo, R. Moessner, C. Czternasty, M. Meissner,
K. C. Rule, J.-U. Hoffmann, K. Kiefer, S. Gerischer,
D. Slobinsky, R. S. Perry
Science 16 October 2009: Vol. 326. no. 5951, pp. 411 - 414
doi: 10.1126/science.1178868

＊ Magnetic monopoles in spin ice
http://www.nature.com/nature/journal/v451/n7174/abs/nature06433.html