寻找宇宙中最神秘的粒子——磁单极子
在《生活大爆炸》里，谢耳朵为了他的弦理论研究，曾和他的三位小伙伴一同前往磁北极寻找磁单极子。谢耳朵还一度以为已经证明了磁单极子的存在，相信自己会因此拿到诺贝尔奖。
虽然谢耳朵的磁单极子最后被证明是乌龙，但在科学界，确实有无数科学家正在追寻这种神奇的假想粒子。
《生活大爆炸》剧照
学过中学物理的同学都知道，磁铁有南极和北极两个磁极，不存在只有一个磁极的磁铁。
但是，早在1931年，英国物理学家保罗·狄拉克（Dirac）就利用优美的数学公式和深刻的物理洞察力，从理论上预言：自然界中存在一种只带单一磁极的粒子，叫磁单极子。他认为，电和磁在本质上是一种力，如果正负电荷可以单独存在，就像只带负电荷的电子那样，那么只带一个磁极的粒子理应存在。这样，电磁现象的完全对称性才能得到保证。
磁单极子的模型示意图
狄拉克的磁单极子假设一经提出便震惊了整个物理学界，随后在许多前沿理论中都使用到这个概念：比如大统一理论（GUTs）预言，宇宙存在大量的磁单极子，其质量是质子的10的16次方倍；弦理论也可以证明超重磁单极子的存在，并指出超重磁单极子是在宇宙演化极早期的超高温度中产生的；甚至，暗物质的研究也需要用到磁单极子。
磁单极子存在或不存在？
理论上来说，磁单极子应该产生于早期宇宙中，而且它们是稳定的，因此应该有一个大爆炸后遗留下的磁单极子的遗迹通量，仍然渗透在所有空间中。
如果我们能够在自然界中发现磁单极子，就可以：
解释电荷的量子化；
在根本上改变我们对电磁学的理解；
为大统一理论和弦理论提供更多的洞见；
对天体物理学和宇宙学有革命性的影响。因为如果在对撞机中能够发现磁单极子，那么它们也应该在早期的宇宙中产生。
近百年来，物理学家孜孜不倦地寻找磁单极子，比如在月面物质样本中寻找；在宇宙尘埃中寻找；或者在实验室中通过粒子加速器寻找。遗憾的是，直到今天，它们从未被探测到。
磁单极子：存在或不存在？| 图片来源：Corinne Mucha
在物理学中，磁单极子分为矢量单极子和张量单极子。狄拉克提出的磁单极子和华裔物理学家、诺贝尔物理学奖获得者杨振宁教授提出的Yang磁单极子属于矢量规范势产生的单极子，磁荷是量子化的，并由拓扑陈数刻画。据了解，Dirac磁单极子存在于三维空间，Yang磁单极子存在于五维空间，这类矢量磁单极在凝聚态和人工量子体系中已经得到了广泛的研究和观察。
而张量磁单极是一种存在四维空间的独特磁单极，磁荷由所谓的Dixmier-Douady 拓扑不变量刻画。张量磁单极在弦理论中具有关键作用。然而，引起张量规范场的张量磁单极目前仍然鲜为人知，尚未被观测到。
MIT科学家在金刚石色心中观测到张量磁单极子
近日，来自美国麻省理工学院（MIT）和布鲁塞尔自由大学的一个国际研究小组首次在金刚石色心中观测到了四维参量空间中的张量磁单极。研究人员通过在由金刚石氮空位中单个固态缺陷的自旋自由度定义的四维参数空间中合成张量磁单极，并调制了一个施加的微波脉冲来测量从张量磁单极及其拓扑电荷发出的“磁场” --Kalb-Ramond 场。
合成张量单极子的参数调制
相关研究成果以“A synthetic monopole source of Kalb-Ramond field in diamond”为题，发表在Science上。论文的第一作者为MIT的陈墨（Chen Mo，本科毕业于复旦大学）和Li changhao博士（西安交大毕业生），MIT核科学与工程和物理学教授Paola Cappellaro为论文的通讯作者。值得一提的是，在作者那栏，陈墨博士的名字赫然显示的是英文+汉字！
陈墨博士，Paola Cappellaro教授和Li changhao博士
此外，通过引入一个打破手征对称性的虚构外场，研究人员进一步观察到了一个有趣的光谱跃迁，其特征是受镜像对称性保护的光谱环。这项工作证实了模拟受弦理论启发的奇异拓扑结构的可能性。
由外部场触发的光谱转换。
磁单极子的未来应用场景
磁单极子的发现意义重大，能够使新能源的利用和开发迈进一大步。而最贴近人们生活的，就是磁悬浮列车的制造技术将有质的飞跃，因为通过利用磁单极子可以在车的悬浮运行中消除磁损耗和热损耗，使车行更安全、更经济。
设想一下，如果我们拥有一个仅具有南极或者北极的物体，那么它的很多应用都不会受到另一个磁极的影响。这就意味着，真正意义上的直流发电机将离我们不再遥远。
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参考文献：
Chen et al., A synthetic monopole source of Kalb-Ramond field in diamond. Science375, 1017–1020 (2022). DOI: 10.1126/science.abe6437
来源：高分子科学前沿
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