研究人员首次揭示了真实磁体中出现的磁单极子的动态特性。

磁单极子是三维空间中具有孤立磁荷的基本粒子。换句话说，它们表现为磁体的孤立北极或南极。自物理学家保罗·狄拉克于 1931 年首​​次提出磁单极子的概念以来，磁单极子一直受到人们的研究兴趣。

然而，真正的磁单极子尚未被观测到，其存在与否仍是一个悬而未决的问题。另一方面，科学家在凝聚态系统中发现了数学上表现为磁单极子的准粒子，从而产生了有趣的现象。

最近，研究人员发现一种名为锰锗(MnGe)的材料具有独特的周期性结构，由称为刺猬和反刺猬的特殊磁性配置形成，称为磁性刺猬晶格。在这些特殊配置中，磁矩指向径向向外(刺猬)或向内(反刺猬)，类似于刺猬的刺。这些刺猬和反刺猬就像磁单极子和反单极子一样，充当新兴磁场的源或汇。

刺猬晶格中的本征激发

刺猬晶格的集体激发模式由狄拉克弦的振荡控制，连接刺猬和反刺猬，可用于研究它们在磁体中的空间结构。图片来源：早稻田大学的 Masahito Mochizuki

MnGe 呈现出所谓的三 Q 刺猬晶格。然而，最近的实验表明，用 Si(MnSi 1- x Ge x)替代 Ge 会将这种排列转变为四Q刺猬晶格(4 Q -HL)。这种新的排列也存在于钙钛矿铁氧体 SrFeO 3中，为研究和控制刺猬晶格的性质提供了一条有希望的途径。此外，这些磁单极子还可以通过遵循麦克斯韦电磁定律移动来感应电场。要理解由此产生的新物理现象，研究刺猬晶格的固有激发至关重要。

早稻田大学的研究成果

在最近的一项研究中，早稻田大学应用物理学系的 Masahito Mochizuki 教授和博士生 Rintaro Eto从理论上研究了 MnSi 1-x Ge x和 SrFeO 3 中 4Q-HL 的集体激发模式。Mochizuki说：“我们的研究首次阐明了磁性材料中出现的磁单极子的未知动力学性质。这可以启发未来对刺猬型材料进行实验，这些材料可应用于电子设备以及连接粒子物理学和凝聚态物理学。”他们的研究于2024 年 5 月 31 日发表在《物理评论快报》上。