發現磁單極？量子氣體揭示彎曲單極子的第一個跡象

磁體，無論是條形、馬蹄形還是電磁體，總是有兩極。如果把一個磁體分成兩半，就會得到兩個新的磁體，每一個都有自己的磁體南北方向。但是一些物理學理論預測了單極磁體的存在——這種情況類似於電荷，它們要麼是正極，要麼是負極。一種特殊的化身——以發現者名字命名的「陽單極子」——最初是在高能物理學的背景下被預測出來，但從未被觀察到。現在JQI的一個研究小組由博士後Seiji Sugawa和JQI研究員伊恩·斯皮爾曼(Ian Spielman)領導，他們成功地模仿了一種楊氏磁單極子，並使用了一種由rubidium原子組成的超古老氣體。這一結果在《科學》上發表，為用冷量子氣體模擬其他物理領域提供了另一個例子。

圖片：Joint Quantum Institute

斯皮爾曼說：這個新結果將高能物理中誕生的思想——陽佔主導地位——與凝聚態物理中的概念——拓撲相變聯繫在一起，並在原子物理實驗室中實現它們。為了探測量子氣體中的陽單極子，Spielman、Sugawa和他的同事們操縱了所有原子攜帶的內部羅盤針頭：一種叫做自旋的量子特性——利用無線電波和微波以特定的方式旋轉這些針頭。通過騎自行車在四個不同的原子自旋取向，研究人員能夠把原子在旅途中通過「自旋空間」和讓他們回到他們很小的時候就開始了就像一個旅行者在地球表面旅行世界各地(全球而是在四維空間的兩個)。

研究小組測量了原子在完成飛行後的旋轉方向，並將結果與初始方向進行了比較。發現原子的自旋不會回到它們開始位置，這種差異會在穿越彎曲空間的過程中出現。在這種情況下，偏轉的大小和方向與陽單極子所產生的曲率的預測相符。為了驗證這種偏轉確實是由單極子引起的，而不是由另一個源引起的，研究人員讓這些原子進行了一次不同的旅程，一次試圖避免單極子產生的空間彎曲奇點。

在這條新的路徑上，原子不再感到從曲率整體上的拉力，這強烈表明它們已經脫離了磁單極子的影響範圍。開關磁單極子的作用只取決於原子路徑的整體形狀，而不取決於路徑上的任何微小擺動——這說明磁單極子的作用是拓撲的。斯皮爾曼說，這些路徑要麼包含一個單極子，要麼不包含，這就提供了拓撲特性，可能會產生新型的量子電荷泵。

博科園-科學科普｜參考期刊：Science｜來自：聯合量子研究所

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