发现磁单极？量子气体揭示弯曲单极子的第一个迹象

磁体，无论是条形、马蹄形还是电磁体，总是有两极。如果把一个磁体分成两半，就会得到两个新的磁体，每一个都有自己的磁体南北方向。但是一些物理学理论预测了单极磁体的存在——这种情况类似于电荷，它们要么是正极，要么是负极。一种特殊的化身——以发现者名字命名的“阳单极子”——最初是在高能物理学的背景下被预测出来，但从未被观察到。现在JQI的一个研究小组由博士后Seiji Sugawa和JQI研究员伊恩·斯皮尔曼(Ian Spielman)领导，他们成功地模仿了一种杨氏磁单极子，并使用了一种由rubidium原子组成的超古老气体。这一结果在《科学》上发表，为用冷量子气体模拟其他物理领域提供了另一个例子。

图片：Joint Quantum Institute

斯皮尔曼说：这个新结果将高能物理中诞生的思想——阳占主导地位——与凝聚态物理中的概念——拓扑相变联系在一起，并在原子物理实验室中实现它们。为了探测量子气体中的阳单极子，Spielman、Sugawa和他的同事们操纵了所有原子携带的内部罗盘针头：一种叫做自旋的量子特性——利用无线电波和微波以特定的方式旋转这些针头。通过骑自行车在四个不同的原子自旋取向，研究人员能够把原子在旅途中通过“自旋空间”和让他们回到他们很小的时候就开始了就像一个旅行者在地球表面旅行世界各地(全球而是在四维空间的两个)。

研究小组测量了原子在完成飞行后的旋转方向，并将结果与初始方向进行了比较。发现原子的自旋不会回到它们开始位置，这种差异会在穿越弯曲空间的过程中出现。在这种情况下，偏转的大小和方向与阳单极子所产生的曲率的预测相符。为了验证这种偏转确实是由单极子引起的，而不是由另一个源引起的，研究人员让这些原子进行了一次不同的旅程，一次试图避免单极子产生的空间弯曲奇点。

在这条新的路径上，原子不再感到从曲率整体上的拉力，这强烈表明它们已经脱离了磁单极子的影响范围。开关磁单极子的作用只取决于原子路径的整体形状，而不取决于路径上的任何微小摆动——这说明磁单极子的作用是拓扑的。斯皮尔曼说，这些路径要么包含一个单极子，要么不包含，这就提供了拓扑特性，可能会产生新型的量子电荷泵。

博科园-科学科普｜参考期刊：Science｜来自：联合量子研究所