http://phys.org/news/2012-08-magnetic-monopoles-dipoles-vice-versa.html
August 9, 2012
磁單極（Magnetic monopoles），具孤立磁北極或磁南極的實體，被認為不該存在。若你嘗試將棒狀磁鐵鋸成兩半，你只會獲得二塊磁鐵，每塊磁鐵都有磁南極與磁北極。然而，近幾年來，已有人預測並在實驗室中證明磁單極的存在，至少是以「準粒子」的形態存在，那由眾多原子中的集體激發（collective excitations）構成。現在，Stephen Powell，Joint Quantum Institute (JQI) 以及 Maryland 大學的科學家，已琢磨出可運作的磁單極理論性架構。
"平穩的磁單極流（flows of magnetic monopoles）顯然不可能，" Powell 說，"但暫態磁流（transient currents）已被證明，而且你可以想像創造出一道交替磁流（alternating current），AC 電流的磁性等價物。" 這種所謂的「磁流（magnetricity，譯註：相較於電流，electricity）」也許能用來設計新的高密度資料儲存裝置。
電磁學的定律預測電力與磁力間的大幅度對稱。然而，這種等效性並未延伸到單獨的「磁荷（magnetic charges）」上。孤立電荷，以電子的形態存在，當然很普通。電荷間相吸或相斥的力，與距離的平方成反比。正電荷與負電荷能湊在一起形成中性的電偶極（electric dipole）。這種情況在磁學裡似乎不一樣：磁偶極，可，磁單極，不可。
不過新構想與新實驗已經改變這種傳統的想法。首先，在以二維薄片中流動的冷電子所進行的實驗裡，冷電子在強大磁場作用下，被誘哄成以圓形軌道移動。這些軌道似乎會交互作用形成準粒子，所擁有的電荷等於傳統電子電荷的幾分之一。這被稱為分數量子霍爾效應（fractional quantum Hall effect）。磁偶極具有這樣的類比嗎？情況允許孤立的（或部份的）磁極存在嗎？
最近的實驗以及德、法指出，這種可能性存在於所謂的「自旋冰（spin ice）」，一種固態材料，由元素鏑（Dy）鈦（Ti）以及氧（O）製成。這些材料的基石是一對四面體群（tetrahedral groupings），（通常）有二個 Dy 原子（每個原子作用如同自身的微小偶極磁）指向每個四面體外還有二個指向內。這類似水冰中氫原子的方向，故名為「自旋冰」。
一般來說，所有的磁極應被限制在二個極對（two-pole couplets）以內 -- 傳統的磁偶極。然而，在夠低的溫度下，大約 5 K，磁性原子間的「阻挫（frustration）」 -- 它們想要排列整齊，但因材料內在幾何形狀而無法辦到 -- 導致一種失序的狀態，具有強烈、同步化的波動。
未成對的磁極能從中形成這種騷動。此即，自旋冰內的粒子（精確來說是「準粒子激發」），存有一「淨磁荷」，且到處遊走（move about）。氣態電荷被稱為「電漿」，所以科學家將這種稀薄的（tenuous）磁荷雲類比為「（磁）單極電漿（monopole plasma）」。
Stephen Powell 的論文，目前發表在 Physical Review Letters 期刊上，探索當波動被... 例如：被更冷的溫度或更強的磁場「凍住」時，會發生什麼事。他證明磁單極（亦稱為庫倫相，Coulomb phase，因為磁單極能感受到如電荷那樣的平方反比力）如何再度被限制在磁中性的偶極內。他是第一個規範從磁單極相到受限磁相（pole-confined phase）之相變的人。
降到更低的溫度，並觀察磁單極如何凍成偶極，難以在實驗室中辦到，因很難將磁性原子誘哄至足夠的交互作用強度。但 Powell 認為那可以辦到。此外，如果這種變化像其他的相變，那麼它應當要服從一種稱為「普適性（transitions）」的定律體系，那代表許多像這樣的現象 -- 水轉變成冰是一個最受喜愛的例子。Powell 是第一個處理，當自旋冰內的磁單極在超低溫下失效成為磁偶極時，普適性如何涉及「凍結」過程。
"這樣的磁單極並不只是數學上的抽象概念，" Powell。"它們真的會出現。它們能到處移動，至少能動一點點。科學家需要理解磁單極如何表現，即便是在最低的溫度下（在那裡，它們被鎖回成偶極）。" Powell 的磁單極架構包含可測試的預測，關於如何觀察從磁單極到受限磁極的變化。
※ 相關報導：
＊ Universal Monopole Scaling near Transitions from the Coulomb Phase
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.109.065701
Stephen Powell＊ 首度在真的磁鐵中偵測到磁單極子
Phys. Rev. Lett. 109, 065701 (2012) [5 pages]
doi: 10.1103/PhysRevLett.109.065701
＊ 科學家首度觀察到「磁流」
＊ 物理學家發現「磁環效應」
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