钻石和铁锈帮助揭示不可能的准粒子

研究人员在一种与铁锈密切相关的材料中发现了磁单极子(孤立的磁荷)，这一结果可用于为更环保、更快速的计算技术提供动力。

由剑桥大学领导的研究人员使用一种称为钻石量子传感的技术来观察赤铁矿(一种氧化铁)表面的旋转纹理和微弱的磁信号。

研究人员观察到，赤铁矿中的磁单极子是通过许多自旋(粒子的角动量)的集体行为而出现的。这些单极子在赤铁矿表面的旋转纹理上滑动，就像磁荷的微小冰球一样。这是第一次通过实验观察到自然发生的单极子。

研究还表明，先前隐藏的旋转纹理与赤铁矿等材料的磁荷之间存在直接联系，就好像有一个密码将它们连接在一起。研究结果发表在《自然材料》杂志上，可能有助于实现下一代逻辑和内存应用。

根据剑桥物理学巨匠詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的方程，磁性物体，无论是冰箱贴还是地球本身，都必须始终以一对无法孤立的磁极存在。

“我们每天使用的磁铁有两个极：北极和南极，”领导这项研究的梅特·阿塔图尔教授说。“在 19 世纪，有人假设单极子可能存在。但在他研究电磁学的一个基本方程中，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦不同意。”

阿塔图尔是剑桥卡文迪什实验室的负责人，该职位曾由麦克斯韦本人担任。他说：“如果单极子确实存在，并且我们能够将它们分离出来，那么就像找到一块被认为丢失的缺失的拼图一样。”

大约 15 年前，科学家提出了磁性材料中如何存在单极子的问题。这一理论结果依赖于北极和南极的极端分离，因此，在局部，每个极点都被一种称为自旋冰的奇异物质隔离。

然而，还有另一种寻找单极子的策略，涉及涌现的概念。涌现的概念是许多物理实体的组合，这些实体可以产生大于或不同于其各部分总和的属性。

剑桥大学的研究人员与牛津大学和新加坡国立大学的同事合作，利用涌现发现了分布在二维空间中的单极子，它们在磁性材料表面的漩涡纹理上滑动。

漩涡拓扑结构存在于两种主要类型的材料中：铁磁体和反铁磁体。在两者中，反铁磁体比铁磁体更稳定，但它们更难以研究，因为它们不具有强磁性特征。

为了研究反铁磁体的行为，阿塔图尔和他的同事使用了一种称为金刚石量子磁力测量的成像技术。该技术使用金刚石针中的单自旋(电子的固有角动量)来精确测量材料表面的磁场，而不影响其行为。

在当前的研究中，研究人员使用该技术来观察赤铁矿，一种反铁磁性氧化铁材料。令他们惊讶的是，他们在赤铁矿中发现了隐藏的磁荷模式，包括单极子、偶极子和四极子。

“磁单极子在理论上已经被预测到，但这是我们第一次在天然磁体中真正看到二维单极子，”牛津大学的合著者保罗·拉达利教授说。

“这些单极子是许多自旋的集体状态，它们绕着奇点而不是单个固定粒子旋转，因此它们是通过多体相互作用而出现的。结果是一个微小的、局部稳定的粒子，其中有发散的磁场。 ”来自牛津大学的共同第一作者 Hariom Jani 博士说。

“我们已经展示了如何使用金刚石量子磁力测量来解开二维量子材料中磁性的神秘行为，这可能会开辟该领域的新研究领域，”共同第一作者、来自该研究中心的 Anthony Tan 博士说。卡文迪什实验室。“挑战一直是反铁磁体中这些纹理的直接成像，因为它们的磁力较弱，但现在我们能够通过钻石和铁锈的完美组合来做到这一点。”

这项研究不仅凸显了金刚石量子磁力测量的潜力，还强调了其发现和研究量子材料中隐藏的磁性现象的能力。如果受到控制，这些带有磁荷的旋转纹理可以为超快速且节能的计算机内存逻辑提供动力。

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