━━━━━━

早在學(xué)習(xí)物理之前，我們所知道的第一個(gè)關(guān)于電磁的知識(shí)就是，每塊磁鐵都有兩個(gè)磁極。把條形磁鐵分成兩段，就得到兩塊磁鐵，每塊依舊有南北兩個(gè)磁極。我們知道凡是有磁場(chǎng)的物體，無(wú)論是整個(gè)地球還是鐵原子，都是如此。沒(méi)有單磁極這回事，而且奇怪的是毫無(wú)理由可循。但我們卻有理由懷疑在宇宙中可能漂浮著單磁極的磁體——磁單極子。即使這些粒子存在，可能也相當(dāng)罕見(jiàn)，但這并未阻止物理學(xué)家去尋找這些粒子。原因是：如果這些粒子存在，可能有助于解決長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)于宇宙性質(zhì)的一些問(wèn)題，說(shuō)明大自然的基本力是如何聯(lián)系在一起的。因此在過(guò)去的幾十年中，物理學(xué)家一直在搜尋南極原冰層和月球塵埃，仔細(xì)檢查從海床和基地火山采集的巖石，嘗試在粒子對(duì)撞機(jī)中創(chuàng)建單極子，尋找宇宙射線與地球相撞的痕跡。

到目前為止，所有努力都一無(wú)所獲。但之前，我和我的同事們以及其他研究團(tuán)隊(duì)偶然發(fā)現(xiàn)了類似天然單極子的跡象。我們發(fā)現(xiàn)的單極子限于特定的材料，只有在原子自旋以恰當(dāng)?shù)姆绞脚帕袝r(shí)才會(huì)出現(xiàn)。但與仍難以捉摸、相對(duì)不受約束的同類不同，它們確實(shí)提供了可能開(kāi)發(fā)出新技術(shù)的希望。有一天我們或許可以像現(xiàn)在控制電荷流一樣控制磁荷。要預(yù)測(cè)這項(xiàng)新功能的前景幾乎是不可能的；我們可能會(huì)造出用全新方式執(zhí)行計(jì)算或者存儲(chǔ)信息或能量的設(shè)備。但在了解單極子能做什么之前，我們必須研究一下它們?nèi)绾芜\(yùn)作。

━━━━━━

對(duì)磁場(chǎng)的了解，很多可以追溯到19世紀(jì)中葉。那時(shí)詹姆斯?克拉克?麥克斯韋（JamesClerk Maxwell）介紹了一組方程式，展示了源于單一因素（電磁）的電力和磁力。麥克斯韋指出這種統(tǒng)一是對(duì)稱的：改變磁場(chǎng)產(chǎn)生電流，電荷移動(dòng)就產(chǎn)生磁場(chǎng)。但這種對(duì)稱有其局限性。電荷可以是正電荷也可以是負(fù)電荷，但磁鐵是偶極的。它們總有兩個(gè)“磁荷”：北極和南極。

1931年之前這種局限性或多或少還只是一個(gè)謎。物理學(xué)家保羅?狄拉克（Paul Dirac）指出磁荷（即磁單極子）的存在有助于解釋看似平常的事實(shí)：為何電子和其他帶電粒子只有量子數(shù)（即整數(shù)倍）的基本電荷。這一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)后，那么即使磁單極子離我們的日常生活很遠(yuǎn)，也還是可能存在的。更多的理論工作讓這一想法復(fù)活了，因?yàn)榱Ｗ右部赡茉诖蠼y(tǒng)一理論中出現(xiàn)，將自然界的基本力聯(lián)系在一起。

這些單極子是自由浮動(dòng)粒子，在真空中隨意飛來(lái)飛去。但在2008年，三位理論物理學(xué)家——克勞迪奧?卡斯特爾諾沃（Claudio Castelnovo）、羅德里希?默斯納（Roderich Moessner）和西瓦吉?頌提（Shivaji Sondhi）認(rèn)為，我們應(yīng)該能在地球的特殊晶體中找到類似這種單極子的東西。這種單極子不是基本粒子；它們只能在特定材料中存在，由其他粒子的集體行為形成。但從技術(shù)角度講它們是單磁荷，并以基本的單極子可能采取的交互方式相互作用。

研究小組建議在接近絕對(duì)零度的自旋冰（離子排列成金字塔狀——稱為四面體——的一類獨(dú)特材料）中尋找這些被困的單極子。這些四面體堆疊在一起，形成一種晶體，稱為燒綠石。

燒綠石中金字塔每個(gè)角的原子是磁偶極子。就像一個(gè)條形磁鐵，從一側(cè)（物理學(xué)家往往按慣例稱之為“北”）產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，圍繞原子，最終進(jìn)入另一端（“南”）。物理學(xué)家把這種磁場(chǎng)簡(jiǎn)單地描述為以原子為中心指向北方的箭。箭是磁性的標(biāo)志，也對(duì)應(yīng)原子的“自旋”，即原子的內(nèi)稟角動(dòng)量。自旋是一種量子力學(xué)概念：物理角度而言原子不會(huì)旋轉(zhuǎn)，它們的角動(dòng)量體現(xiàn)在其他方面，如放射性原子衰減時(shí)次級(jí)粒子的軌跡。

就像條形磁鐵一樣，這些自旋以電磁方式交互，并盡力自我調(diào)整，以便達(dá)到平行或反向平行。但讓自旋冰與眾不同的是（也是它們名字的來(lái)歷），晶體的幾何形狀造成的自旋組態(tài)。

若晶體材料的溫度相對(duì)較高，試圖調(diào)整自旋的力量輕易就被熱起伏壓制。自旋的方向是隨機(jī)的，且可以很容易地改變方向。將材料冷卻到絕對(duì)零度以上幾度，自旋之間的力量開(kāi)始占主導(dǎo)地位。原子的自旋自然地開(kāi)始調(diào)整到最低、最穩(wěn)定的能量狀態(tài)：每個(gè)四面體四個(gè)頂點(diǎn)的自旋遵循兩個(gè)向內(nèi)、兩個(gè)向外的排列規(guī)則。

這種兩進(jìn)兩出的排列方式稱為冰組態(tài)規(guī)則，之所以叫這個(gè)名字，是因?yàn)樗c普通的水冰晶體中氫鍵形成的方式類似。每個(gè)氧原子都有兩個(gè)距離近和兩個(gè)距離遠(yuǎn)的氫離子。自旋冰往往會(huì)遵循冰規(guī)則，但調(diào)整過(guò)程并不完美。有時(shí)樣品冷卻時(shí)形成缺陷，還有時(shí)候一點(diǎn)熱能就可導(dǎo)致自旋改變方向，最后，一些四面體三個(gè)自旋方向一致，只有一個(gè)自旋為反方向。研究人員雖已了解了這些違反規(guī)則的情況，但卡斯特爾諾沃和他的同事們認(rèn)為，這可能會(huì)有更重要的物理意義。

由于磁場(chǎng)的覆蓋范圍遠(yuǎn)在每個(gè)原子之外，研究人員建議將每個(gè)原子中的自旋想象成延伸的啞鈴。連桿以原子核為中心，最后產(chǎn)生兩個(gè)不同的磁荷：位于一個(gè)四面體中心的北極和位于另一個(gè)四面體中心的南極。在其中一個(gè)四面體中心，四個(gè)角的磁極或者相互抵消，或者疊加。

如遵循冰規(guī)則，兩個(gè)北極和兩個(gè)南極會(huì)相互抵消。但有意思的是：如果不遵循冰規(guī)則，例如三個(gè)自旋向內(nèi)，一個(gè)向外，中心的三個(gè)北極和一個(gè)南極就會(huì)形成單一的北磁極。這樣，我們就得到了單極子。同樣，一進(jìn)三出的排列方式就會(huì)形成單一的南磁單極子。

不僅如此。因?yàn)樗拿骟w的每個(gè)頂點(diǎn)都是與相鄰的四面體共用的，因此如果自旋在一個(gè)四面體中違反冰規(guī)則，那么在另一個(gè)四面體中也會(huì)違反冰規(guī)則，在相隔一個(gè)四面體的距離外形成另一個(gè)極性相反的磁單極子。因此，對(duì)每個(gè)單極子而言，都有一個(gè)電荷相反的單極子。如果同一個(gè)自旋翻轉(zhuǎn)，或旋轉(zhuǎn)180度，就會(huì)遵守自旋冰規(guī)則，這對(duì)單極子就基本上被抵消了。

這些自旋冰單極子只有能夠移動(dòng)，才能被視為真正的磁性粒子，而不只是異常的磁力活動(dòng)。但卡斯特爾諾沃和他的同事們指出，兩個(gè)單極子應(yīng)能夠彼此分離，獨(dú)立地穿過(guò)自旋冰。單極子四面體中另一個(gè)自旋翻轉(zhuǎn)，自旋再次相抵，但在相鄰四面體中不再平衡。單極子將有效地從一個(gè)四面體轉(zhuǎn)到另一個(gè)。這就有可能形成電流的磁性模擬：“磁流”。

2008年1月，這個(gè)設(shè)想在《自然》雜志發(fā)表，實(shí)驗(yàn)搜尋沒(méi)有花太長(zhǎng)時(shí)間。那時(shí)，我在柏林亥姆霍茲材料與能源中心做博士后。我的同事兼合作者亞倫?泰寧特（Alan Tennant）和圣地亞哥?格里格拉（Santiago Grigera）已在自旋冰方面研究了幾個(gè)月。他們一直在研究某一特定自旋冰（一種由氧、鈦和稀有元素鏑組成的化合物）冷卻到0.6K以下時(shí)出現(xiàn)的某種反常現(xiàn)象。論文發(fā)表后，他們改變了工作重心，我和同事泰寧特、格里格拉以及另一位成員雪莉?魯爾（Kirrily Rule）一道尋找磁單極子存在的證據(jù)。

我們利用了現(xiàn)有的有力工具：中子束。因?yàn)橹凶記](méi)有電荷，可以很容易地穿過(guò)材料中的大部分空間，只有在遇到原子中心的原子核時(shí)才散射開(kāi)來(lái)。但它們也有內(nèi)稟磁矩，因此遇到原子磁場(chǎng)可以轉(zhuǎn)向。發(fā)射一束中子穿過(guò)材料，它們?cè)诹硪粋?cè)的模式可顯示磁結(jié)構(gòu)中某些可能導(dǎo)致中子衍射的特性。這是物理學(xué)家研究很多課題（如蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片應(yīng)力以及超導(dǎo)體的磁力相互作用）的標(biāo)準(zhǔn)方法。

在自旋冰中，中子特別適合了解自旋之間的關(guān)系——一個(gè)自旋的排列與另一自旋的聯(lián)系程度。可以將這些排列比作“偏振管”，即按慣例從南到北流動(dòng)的自旋鏈。在遵循冰規(guī)則的普通四面體中，有兩個(gè)這樣的偏振管穿過(guò)中心；進(jìn)入四面體時(shí)每一個(gè)偏振管的自旋北面向內(nèi)，離開(kāi)四面體時(shí)北面向外。如冰規(guī)則被打破，只有一個(gè)偏振管穿過(guò)四面體，其他兩個(gè)偏振管將在中心終止。這些終結(jié)點(diǎn)就是可能產(chǎn)生單極子的地方。否則，材料中的偏振管可能沒(méi)有終點(diǎn)（只是循環(huán)）。

當(dāng)中子散射在偏振管時(shí)，會(huì)在中子擊中探測(cè)器的位置留下明顯的圖案。但很難推斷形成這種圖案的結(jié)構(gòu)。自旋冰中的所有偏振管就像一碗意大利面，如果你試圖追蹤其中一根，很快就會(huì)迷失在一個(gè)3D網(wǎng)中。

為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，我們想出了一個(gè)辦法，就是用叉子來(lái)挑面條，通過(guò)施加磁場(chǎng)分離出偏振管。當(dāng)對(duì)自旋冰施加足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)，所有的自旋就會(huì)沿著磁場(chǎng)的方向，因?yàn)槎贾赶蛳嗤姆较颍窆苁艿侥Σ痢．?dāng)磁場(chǎng)減弱，自旋的相互作用能夠克服外部磁場(chǎng)，自旋方向開(kāi)始翻轉(zhuǎn)與磁場(chǎng)相對(duì)。這些翻轉(zhuǎn)的自旋形成短“弦”，即在中子數(shù)據(jù)中更容易看到的偏振管部分。查看作為外加磁場(chǎng)函數(shù)的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，這些弦沿磁場(chǎng)方向生長(zhǎng)，但也稍有曲折。

如果磁單極子存在，并有足夠的能量彼此分離，留下一串翻轉(zhuǎn)的自旋，那么這與我們所預(yù)計(jì)的結(jié)果一致。但是，需要一種方法來(lái)確認(rèn)在弦終結(jié)處是否有單極子存在。

幸運(yùn)的是，我們柏林的同事克萊門(mén)斯?茲特納斯提（Clemens Czternasty）、巴斯蒂安?克勒姆克（Bastian Klemke）和邁克爾?邁斯納（Michael Meissner）做了這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)。他們研究自旋冰的熱容量，衡量需要多少能量來(lái)改變材料的溫度。熱容量與材料可采用的不同排列數(shù)量相關(guān)：對(duì)于水而言，與氫原子和氧原子可能的排列數(shù)量對(duì)應(yīng)；對(duì)于自旋冰，則與自旋取向的數(shù)量相關(guān)。可能的排列數(shù)量與材料可用的能量相關(guān)，所以熱容量是一種非常靈敏的系統(tǒng)狀態(tài)衡量方法。

柏林的研究小組發(fā)現(xiàn)，在非常低的樣品溫度，提高溫度需要的熱量非常少。隨著溫度的下降，熱容量也急劇下降。研究組最初以為設(shè)備出了什么故障，但是，反復(fù)測(cè)量證實(shí)了這一結(jié)果。我們向卡斯特爾諾沃和他的同事們提交數(shù)據(jù)后，他們首先試圖利用只基于自旋的簡(jiǎn)單材料模型驗(yàn)證這個(gè)結(jié)果。但他們發(fā)現(xiàn)要得到與數(shù)據(jù)相符的結(jié)果，唯一的辦法就是假定存在具有自己的物理交互的磁單極子。估計(jì)我們?cè)诿苛⒎嚼迕讋?chuàng)建了約600個(gè)單極子。

有了這方面的證據(jù)，我們的研究小組開(kāi)始準(zhǔn)備研究論文。但我們很快發(fā)現(xiàn)，其他研究小組也在做這方面的工作。2009年3月，法國(guó)的兩位理論物理學(xué)家在《自然?物理學(xué)》上發(fā)表論文，指出如果假設(shè)存在磁單極子，他們可以更好地?cái)M合一些老的磁性數(shù)據(jù)。這在媒體上掀起了漣漪，但我們意識(shí)到我們的發(fā)現(xiàn)更詳細(xì)，因此我們沒(méi)有氣餒。隨后2009年5月，我在國(guó)際中子散射會(huì)議上看到首都大學(xué)東京的門(mén)脅廣明（Hiroaki Kadowaki）小組的工作演示。后來(lái)，我們?cè)谙颉犊茖W(xué)》雜志提交論文之前發(fā)現(xiàn)該雜志正在審議另外兩篇論文。

最終，三個(gè)實(shí)驗(yàn)小組相繼報(bào)告發(fā)現(xiàn)磁單極子的證據(jù)。后來(lái)我們的論文與湯姆?芬內(nèi)爾（Tom Fennell）領(lǐng)導(dǎo)的英法小組（后來(lái)在勞厄-郎之萬(wàn)研究所進(jìn)行研究）提交的論文在《科學(xué)》上發(fā)表。該團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱，有證據(jù)證明，隨著溫度下降，自旋冰中弦不斷增長(zhǎng)，這表明如果磁單極子存在，它們會(huì)在樣品中彼此遠(yuǎn)離。大約在同一時(shí)間，門(mén)脅廣明的研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告中子散射的結(jié)果似乎與作為單極子密度函數(shù)的散射模擬匹配。

━━━━━━

我們?cè)凇犊茖W(xué)》發(fā)表論文后，我一直被追問(wèn)的一個(gè)問(wèn)題是，我們?cè)谧孕邪l(fā)現(xiàn)的單極子是否可以被視為是“真正的”磁單極子。

它們當(dāng)然不是粒子物理學(xué)家?guī)资陙?lái)一直夢(mèng)想尋找的那些粒子。自旋冰中的磁單極子不可能在自由空間中存在。從某種意義上說(shuō)，它們不是真正的粒子。物理學(xué)家更喜歡稱它們?yōu)闇?zhǔn)粒子：其他粒子集體行為產(chǎn)生的粒子狀實(shí)體。準(zhǔn)粒子很常見(jiàn)。例如，許多現(xiàn)代的半導(dǎo)體器件都是依靠空穴（即缺少電子后帶正電的“粒子”）的流動(dòng)。

如果這些單極子不是粒子物理學(xué)家尋找的對(duì)象，我們可以名正言順地稱它們?yōu)榇艈螛O子嗎？我們的研究小組進(jìn)行的熱容量測(cè)量表明，自旋冰單極子似乎真的帶有磁荷，它們之間的交互酷似正負(fù)磁荷在真空中交互的基本方式。

與此同時(shí)，它們是俘獲粒子。這就引發(fā)了一些有趣的問(wèn)題。2011年，柏林的同事克勒姆克意識(shí)到發(fā)布的所有低于0.6K的熱容量數(shù)據(jù)都不相同。此外，該溫度范圍的磁化測(cè)量結(jié)果與理論不符。一些理論家們指出，之所以存在這些不一致，是因?yàn)樵诘蜏叵拢孕D(zhuǎn)可用的能量很少。自旋冰達(dá)到平衡時(shí)，可能被困在特別不利的組態(tài)中，而且若沒(méi)有非常協(xié)調(diào)的同時(shí)自旋翻轉(zhuǎn)，就很難脫離這種不利組態(tài)。這意味著對(duì)這種材料而言，將需要很長(zhǎng)一段時(shí)間找到最有利的形狀。事實(shí)上，由大衛(wèi)?波馬蘭斯基（DavidPomaranski）領(lǐng)導(dǎo)的加拿大小組報(bào)告，在非常低的溫度下，自旋冰“放松”可能需要幾周的時(shí)間；在絕對(duì)零度以上一度，可能只需要百分之一秒。

因?yàn)槲覀冋砘A(chǔ)物理原理，考慮應(yīng)用的問(wèn)題。一個(gè)有趣的可能性是“磁電（magnetricity）”，即磁形式電力。有了適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)，單極子有可能穿過(guò)自旋冰，就像電壓使電流穿過(guò)電線一樣。但由于自旋冰幾何形狀的特殊性，磁電流沒(méi)那么簡(jiǎn)單。由于單極子移動(dòng)，使自旋翻轉(zhuǎn)，另一個(gè)單極子沿相同的路徑移動(dòng)是不可能的。這排除了單極直流，但卻可能產(chǎn)生單極交流電流和設(shè)備。

由于自旋可在自旋冰中翻轉(zhuǎn)，所以該材料也可能阻擋磁場(chǎng)，像電介質(zhì)一樣存儲(chǔ)磁能。此外，有一些證據(jù)表明，就像在半導(dǎo)體添加雜質(zhì)提高充電性能一樣，也可能在材料中摻加雜質(zhì)。各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明，如果在混合物中添加更多的磁性離子，磁單極子可以以較慢的速度穿過(guò)自旋冰。如果在自旋冰中摻加雜質(zhì)改變磁單極子穿過(guò)材料的速度，那么基本電氣設(shè)備元件（如電容和接頭）的磁性模擬也不是不可能的。

要造出實(shí)用的磁電設(shè)備，還需要解決幾大難題。一個(gè)是樣品純度：即使是微小的結(jié)構(gòu)缺陷也可能阻擋單極流。另一個(gè)是溫度。要凍結(jié)自旋冰和建立單極子，必須將材料冷卻到非常低的溫度，通常約為絕對(duì)零度以上一度，即約1K或-272℃。目前是否能造出在更實(shí)際的溫度進(jìn)行自旋冰轉(zhuǎn)變的材料還不清楚。材料原子的磁矩或原子之間的相互作用必須很大，以抵消較高溫度下熱能的加擾效應(yīng)，以目前所知還不存在這樣的材料。

現(xiàn)在有一種可供選擇的單極子系統(tǒng)——“人工自旋冰”。這些人造材料是由鐵磁材料（如鈷）的納米級(jí)顆粒（片狀或線狀）制成的二維系統(tǒng)。選擇一個(gè)顆粒的尺寸，從而原子磁矩指向相鄰四面體之間的一個(gè)頂點(diǎn)。如果這些顆粒排列為蜂窩狀或方形結(jié)構(gòu)，就可以使它們的磁矩遵循冰規(guī)則。方形晶格將像普通的自旋冰一樣遵循相同的兩進(jìn)兩出規(guī)則。在蜂窩晶格中，三個(gè)顆粒在每個(gè)頂點(diǎn)相交，始終有一個(gè)多余的磁荷。

如何知道這些磁荷是否存在？令人難以置信的是，它們可以利用磁力顯微鏡成像。倫敦帝國(guó)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)觀察到人工磁單極子，甚至能夠觀看這些單極子在磁場(chǎng)影響下的移動(dòng)。這些材料在室溫下穩(wěn)定，一些研究人員說(shuō)可能造出有用的內(nèi)存設(shè)備。但是，目前人工自旋冰顆粒的尺寸在100納米范圍內(nèi)，按照現(xiàn)有的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)尺寸還是太大。

盡管如此，磁單極子仍處于初期階段，不排除會(huì)出現(xiàn)人類還未想象到的強(qiáng)大應(yīng)用。磁電革命可能只是初現(xiàn)端倪。