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电磁理论革命，首在天然矿物表面发现仅带单一磁极的“磁单极子”

物理规则表明只有一个磁极的磁体不可能存在，但微观世界的粒子行为通常会改变规则。最近，物理学家首度在天然矿物“赤铁矿”中发现磁单极子，可能成下一个物理学圣杯，不只有助打造更快、更节能电脑记忆体，电磁理论或许需部分改写，物理学、天文学将有重大进展。

磁单极子（Magnetic monopole）指仅带单一磁极的基本粒子，与我们熟悉的磁铁──同时具 N 极与 S 极的磁偶极子（magnetic dipole）不同，前者磁感线分布类似点电荷的电场线分布，或者说是携带孤立“磁荷”的基本粒子。

无论贴在冰箱的磁铁还是地球本身，始终具有一对无法孤立的相反磁极，迄今为止也尚未发现以基本粒子形式存在的磁单极子证据，但磁单极子是 21 世纪物理学界和天文学界热门研究主题之一，因为磁单极子相互作用过程与一般电磁现象截然不同，不仅涉及物质磁性来源、电磁现象对称性，还与宇宙极早期演化、微观粒子结构等相关。

数个尚未得到实验证实、超越标准模型的理论（如大一统理论、超弦理论）都预测有磁单极子，若能找到它们，就像找到拼图缺失的一块。

最近剑桥大学、牛津大学、新加坡国立大学团队使用“钻石量子感测”技术，观察赤铁矿表面的旋转纹理和微弱磁性讯号，第一次透过实验观察到自然发生的磁单极子。

研究人员在赤铁矿材料表面发现磁单极子。（Source：剑桥大学）

科学家寻找磁单极子的策略涉及涌现（emergence）概念，当许多物理小实体组成产生大实体，后者会展现大于或不同小实体具有的特性，而研究人员说这就是赤铁矿表面发生的情况。

漩涡拓朴结构存于主要 2 种类型材料：铁磁体和反铁磁体，其中反铁磁体比铁磁体更稳定也更难研究，因为它们不具有强磁性特征。

为了研究反铁磁体行为，研究人员使用钻石量子磁力测量成像技术精确测量反铁磁性材料“氧化铁”的表面磁场（不影响其行为），发现表面一群粒子联合起来，产生与只有一个磁极的单一粒子相同效果。

赤铁矿（Hematite）是一种常见氧化铁化合物，分子式 Fe2O3，在赤铁矿中微小的磁单极子透过许多自旋集体行为出现，它们于赤铁矿表面旋转纹理上滑动并发散磁场，就像微小的磁荷冰球。

该研究不仅凸显钻石量子磁力测量潜力，还强调量子材料隐藏的磁性现象，若能加以控制，这些带磁荷的旋转纹理将能为超快速、更节能的电脑记忆体逻辑提供动力，物理学、天文学基础理论也会有重大发展，人们对宇宙起源的认知也会更深入。

新论文发表在《自然材料》（Nature Materials）期刊。