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早在學習物理之前，我們所知道的第一個關于電磁的知識就是，每塊磁鐵都有兩個磁極。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磁極。我們知道凡是有磁場的物體，無論是整個地球還是鐵原子，都是如此。沒有單磁極這回事，而且奇怪的是毫無理由可循。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，可能也相當罕見，但這并未阻止物理學家去尋找這些粒子。原因是：如果這些粒子存在，可能有助于解決長期以來關于宇宙性質的一些問題，說明大自然的基本力是如何聯系在一起的。因此在過去的幾十年中，物理學家一直在搜尋南極原冰層和月球塵埃，仔細檢查從海床和基地火山采集的巖石，嘗試在粒子對撞機中創建單極子，尋找宇宙射線與地球相撞的痕跡。

到目前為止，所有努力都一無所獲。但之前，我和我的同事們以及其他研究團隊偶然發現了類似天然單極子的跡象。我們發現的單極子限于特定的材料，只有在原子自旋以恰當的方式排列時才會出現。但與仍難以捉摸、相對不受約束的同類不同，它們確實提供了可能開發出新技術的希望。有一天我們或許可以像現在控制電荷流一樣控制磁荷。要預測這項新功能的前景幾乎是不可能的；我們可能會造出用全新方式執行計算或者存儲信息或能量的設備。但在了解單極子能做什么之前，我們必須研究一下它們如何運作。

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對磁場的了解，很多可以追溯到19世紀中葉。那時詹姆斯?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一是對稱的：改變磁場產生電流，電荷移動就產生磁場。但這種對稱有其局限性。電荷可以是正電荷也可以是負電荷，但磁鐵是偶極的。它們總有兩個“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謎。物理學家保羅?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：為何電子和其他帶電粒子只有量子數（即整數倍）的基本電荷。這一點實現后，那么即使磁單極子離我們的日常生活很遠，也還是可能存在的。更多的理論工作讓這一想法復活了，因為粒子也可能在大統一理論中出現，將自然界的基本力聯系在一起。

這些單極子是自由浮動粒子，在真空中隨意飛來飛去。但在2008年，三位理論物理學家——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）認為，我們應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零度的自旋冰（離子排列成金字塔狀——稱為四面體——的一類獨特材料）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角的原子是磁偶極子。就像一個條形磁鐵，從一側（物理學家往往按慣例稱之為“北”）產生一個磁場，圍繞原子，最終進入另一端（“南”）。物理學家把這種磁場簡單地描述為以原子為中心指向北方的箭。箭是磁性的標志，也對應原子的“自旋”，即原子的內稟角動量。自旋是一種量子力學概念：物理角度而言原子不會旋轉，它們的角動量體現在其他方面，如放射性原子衰減時次級粒子的軌跡。

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

若晶體材料的溫度相對較高，試圖調整自旋的力量輕易就被熱起伏壓制。自旋的方向是隨機的，且可以很容易地改變方向。將材料冷卻到絕對零度以上幾度，自旋之間的力量開始占主導地位。原子的自旋自然地開始調整到最低、最穩定的能量狀態：每個四面體四個頂點的自旋遵循兩個向內、兩個向外的排列規則。

這種兩進兩出的排列方式稱為冰組態規則，之所以叫這個名字，是因為它與普通的水冰晶體中氫鍵形成的方式類似。每個氧原子都有兩個距離近和兩個距離遠的氫離子。自旋冰往往會遵循冰規則，但調整過程并不完美。有時樣品冷卻時形成缺陷，還有時候一點熱能就可導致自旋改變方向，最后，一些四面體三個自旋方向一致，只有一個自旋為反方向。研究人員雖已了解了這些違反規則的情況，但卡斯特爾諾沃和他的同事們認為，這可能會有更重要的物理意義。

由于磁場的覆蓋范圍遠在每個原子之外，研究人員建議將每個原子中的自旋想象成延伸的啞鈴。連桿以原子核為中心，最后產生兩個不同的磁荷：位于一個四面體中心的北極和位于另一個四面體中心的南極。在其中一個四面體中心，四個角的磁極或者相互抵消，或者疊加。

如遵循冰規則，兩個北極和兩個南極會相互抵消。但有意思的是：如果不遵循冰規則，例如三個自旋向內，一個向外，中心的三個北極和一個南極就會形成單一的北磁極。這樣，我們就得到了單極子。同樣，一進三出的排列方式就會形成單一的南磁單極子。

不僅如此。因為四面體的每個頂點都是與相鄰的四面體共用的，因此如果自旋在一個四面體中違反冰規則，那么在另一個四面體中也會違反冰規則，在相隔一個四面體的距離外形成另一個極性相反的磁單極子。因此，對每個單極子而言，都有一個電荷相反的單極子。如果同一個自旋翻轉，或旋轉180度，就會遵守自旋冰規則，這對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，才能被視為真正的磁性粒子，而不只是異常的磁力活動。但卡斯特爾諾沃和他的同事們指出，兩個單極子應能夠彼此分離，獨立地穿過自旋冰。單極子四面體中另一個自旋翻轉，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四面體轉到另一個。這就有可能形成電流的磁性模擬：“磁流”。

2008年1月，這個設想在《自然》雜志發表，實驗搜尋沒有花太長時間。那時，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以下時出現的某種反常現象。論文發表后，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。

我們利用了現有的有力工具：中子束。因為中子沒有電荷，可以很容易地穿過材料中的大部分空間，只有在遇到原子中心的原子核時才散射開來。但它們也有內稟磁矩，因此遇到原子磁場可以轉向。發射一束中子穿過材料，它們在另一側的模式可顯示磁結構中某些可能導致中子衍射的特性。這是物理學家研究很多課題（如蛋白質的結構、噴氣發動機葉片應力以及超導體的磁力相互作用）的標準方法。

在自旋冰中，中子特別適合了解自旋之間的關系——一個自旋的排列與另一自旋的聯系程度。可以將這些排列比作“偏振管”，即按慣例從南到北流動的自旋鏈。在遵循冰規則的普通四面體中，有兩個這樣的偏振管穿過中心；進入四面體時每一個偏振管的自旋北面向內，離開四面體時北面向外。如冰規則被打破，只有一個偏振管穿過四面體，其他兩個偏振管將在中心終止。這些終結點就是可能產生單極子的地方。否則，材料中的偏振管可能沒有終點（只是循環）。

當中子散射在偏振管時，會在中子擊中探測器的位置留下明顯的圖案。但很難推斷形成這種圖案的結構。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，很快就會迷失在一個3D網中。

為了簡化問題，我們想出了一個辦法，就是用叉子來挑面條，通過施加磁場分離出偏振管。當對自旋冰施加足夠強的磁場，所有的自旋就會沿著磁場的方向，因為都指向相同的方向，偏振管受到摩擦。當磁場減弱，自旋的相互作用能夠克服外部磁場，自旋方向開始翻轉與磁場相對。這些翻轉的自旋形成短“弦”，即在中子數據中更容易看到的偏振管部分。查看作為外加磁場函數的數據，可以發現，這些弦沿磁場方向生長，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，留下一串翻轉的自旋，那么這與我們所預計的結果一致。但是，需要一種方法來確認在弦終結處是否有單極子存在。

幸運的是，我們柏林的同事克萊門斯?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）做了這樣一個實驗。他們研究自旋冰的熱容量，衡量需要多少能量來改變材料的溫度。熱容量與材料可采用的不同排列數量相關：對于水而言，與氫原子和氧原子可能的排列數量對應；對于自旋冰，則與自旋取向的數量相關。可能的排列數量與材料可用的能量相關，所以熱容量是一種非常靈敏的系統狀態衡量方法。

柏林的研究小組發現，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。研究組最初以為設備出了什么故障，但是，反復測量證實了這一結果。我們向卡斯特爾諾沃和他的同事們提交數據后，他們首先試圖利用只基于自旋的簡單材料模型驗證這個結果。但他們發現要得到與數據相符的結果，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。估計我們在每立方厘米創建了約600個單極子。

有了這方面的證據，我們的研究小組開始準備研究論文。但我們很快發現，其他研究小組也在做這方面的工作。2009年3月，法國的兩位理論物理學家在《自然?物理學》上發表論文，指出如果假設存在磁單極子，他們可以更好地擬合一些老的磁性數據。這在媒體上掀起了漣漪，但我們意識到我們的發現更詳細，因此我們沒有氣餒。隨后2009年5月，我在國際中子散射會議上看到首都大學東京的門脅廣明（Hiroaki Kadowaki）小組的工作演示。后來，我們在向《科學》雜志提交論文之前發現該雜志正在審議另外兩篇論文。

最終，三個實驗小組相繼報告發現磁單極子的證據。后來我們的論文與湯姆?芬內爾（Tom Fennell）領導的英法小組（后來在勞厄-郎之萬研究所進行研究）提交的論文在《科學》上發表。該團隊報告稱，有證據證明，隨著溫度下降，自旋冰中弦不斷增長，這表明如果磁單極子存在，它們會在樣品中彼此遠離。大約在同一時間，門脅廣明的研究團隊報告中子散射的結果似乎與作為單極子密度函數的散射模擬匹配。

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我們在《科學》發表論文后，我一直被追問的一個問題是，我們在自旋冰中發現的單極子是否可以被視為是“真正的”磁單極子。

它們當然不是粒子物理學家幾十年來一直夢想尋找的那些粒子。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，它們不是真正的粒子。物理學家更喜歡稱它們為準粒子：其他粒子集體行為產生的粒子狀實體。準粒子很常見。例如，許多現代的半導體器件都是依靠空穴（即缺少電子后帶正電的“粒子”）的流動。

如果這些單極子不是粒子物理學家尋找的對象，我們可以名正言順地稱它們為磁單極子嗎？我們的研究小組進行的熱容量測量表明，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磁荷在真空中交互的基本方式。

與此同時，它們是俘獲粒子。這就引發了一些有趣的問題。2011年，柏林的同事克勒姆克意識到發布的所有低于0.6K的熱容量數據都不相同。此外，該溫度范圍的磁化測量結果與理論不符。一些理論家們指出，之所以存在這些不一致，是因為在低溫下，自旋翻轉可用的能量很少。自旋冰達到平衡時，可能被困在特別不利的組態中，而且若沒有非常協調的同時自旋翻轉，就很難脫離這種不利組態。這意味著對這種材料而言，將需要很長一段時間找到最有利的形狀。事實上，由大衛?波馬蘭斯基（DavidPomaranski）領導的加拿大小組報告，在非常低的溫度下，自旋冰“放松”可能需要幾周的時間；在絕對零度以上一度，可能只需要百分之一秒。

因為我們整理基礎物理原理，考慮應用的問題。一個有趣的可能性是“磁電（magnetricity）”，即磁形式電力。有了適當的磁場，單極子有可能穿過自旋冰，就像電壓使電流穿過電線一樣。但由于自旋冰幾何形狀的特殊性，磁電流沒那么簡單。由于單極子移動，使自旋翻轉，另一個單極子沿相同的路徑移動是不可能的。這排除了單極直流，但卻可能產生單極交流電流和設備。

由于自旋可在自旋冰中翻轉，所以該材料也可能阻擋磁場，像電介質一樣存儲磁能。此外，有一些證據表明，就像在半導體添加雜質提高充電性能一樣，也可能在材料中摻加雜質。各項實驗表明，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自旋冰。如果在自旋冰中摻加雜質改變磁單極子穿過材料的速度，那么基本電氣設備元件（如電容和接頭）的磁性模擬也不是不可能的。

要造出實用的磁電設備，還需要解決幾大難題。一個是樣品純度：即使是微小的結構缺陷也可能阻擋單極流。另一個是溫度。要凍結自旋冰和建立單極子，必須將材料冷卻到非常低的溫度，通常約為絕對零度以上一度，即約1K或-272℃。目前是否能造出在更實際的溫度進行自旋冰轉變的材料還不清楚。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，以目前所知還不存在這樣的材料。

現在有一種可供選擇的單極子系統——“人工自旋冰”。這些人造材料是由鐵磁材料（如鈷）的納米級顆粒（片狀或線狀）制成的二維系統。選擇一個顆粒的尺寸，從而原子磁矩指向相鄰四面體之間的一個頂點。如果這些顆粒排列為蜂窩狀或方形結構，就可以使它們的磁矩遵循冰規則。方形晶格將像普通的自旋冰一樣遵循相同的兩進兩出規則。在蜂窩晶格中，三個顆粒在每個頂點相交，始終有一個多余的磁荷。

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。倫敦帝國學院的研究團隊觀察到人工磁單極子，甚至能夠觀看這些單極子在磁場影響下的移動。這些材料在室溫下穩定，一些研究人員說可能造出有用的內存設備。但是，目前人工自旋冰顆粒的尺寸在100納米范圍內，按照現有的行業標準，這個尺寸還是太大。

盡管如此，磁單極子仍處于初期階段，不排除會出現人類還未想象到的強大應用。磁電革命可能只是初現端倪。