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物理學家首在天然礦物表面發現僅帶單一磁極的「磁單極子」
物理規則表明只有一個磁極的磁體不可能存在﹐但微觀世界的粒子行為通常會改變規則。最近物理學家首度在天然礦物「赤鐵礦」中發現磁單極子﹐可能成下一個物理學聖盃﹐不只有助打造更快﹑更節能電腦記憶體﹐電磁理論或許需部分改寫﹐物理學﹑天文學將有重大進展。
磁單極子(Magnetic monopole)指僅帶單一磁極的基本粒子﹐與我們熟悉的磁鐵同時具N極與S極的磁偶極子(magnetic dipole)不同﹐前者磁感線分佈類似點電荷的電場線分佈﹐或者說是攜帶孤立「磁荷」的基本粒子。無論貼在冰箱的磁鐵還是地球本身﹐始終具有一對無法孤立的相反磁極﹐迄今為止也尚未發現以基本粒子形式存在的磁單極子證據﹐但磁單極子是21世紀物理學界和天文學界熱門研究主題之一﹐因為磁單極子相互作用過程與一般電磁現象截然不同﹐不僅涉及物質磁性來源﹑電磁現象對稱性﹐還與宇宙極早期演化﹑微觀粒子結構等相關。
數個尚未得到實驗證實﹑超越標準模型的理論(如大一統理論﹑超弦理論)都預測有磁單極子﹐若能找到它們﹐就像找到拼圖缺失的一塊。最近劍橋大學﹑牛津大學﹑新加坡國立大學團隊使用「鑽石量子感測」技術﹐觀察赤鐵礦表面的旋轉紋理和微弱磁性訊號﹐第一次透過實驗觀察到自然發生的磁單極子。
科學家尋找磁單極子的策略涉及湧現(emergence)概念﹐當許多物理小實體組成產生大實體﹐後者會展現大於或不同小實體具有的特性﹐而研究人員說這就是赤鐵礦表面發生的情況。漩渦拓樸結構存於主要2種類型材料﹕鐵磁體和反鐵磁體﹐其中反鐵磁體比鐵磁體更穩定也更難研究﹐因為它們不具有強磁性特徵。
為了研究反鐵磁體行為﹐研究人員使用鑽石量子磁力測量成像技術精確測量反鐵磁性材料「氧化鐵」的表面磁場(不影響其行為)﹐發現表面一群粒子聯合起來﹐產生與只有一個磁極的單一粒子相同效果。赤鐵礦(Hematite)是一種常見氧化鐵化合物﹐分子式Fe2O3﹐在赤鐵礦中微小的磁單極子透過許多自旋集體行為出現﹐它們於赤鐵礦表面旋轉紋理上滑動並發散磁場﹐就像微小的磁荷冰球。
該研究不僅凸顯鑽石量子磁力測量潛力﹐還強調量子材料隱藏的磁性現象﹐若能加以控制﹐這些帶磁荷的旋轉紋理將能為超快速﹑更節能的電腦記憶體邏輯提供動力﹐物理學﹑天文學基礎理論也會有重大發展﹐人們對宇宙起源的認知也會更深入。
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