首次观测的量子单极子

　　这一新的研究提供了一个惊喜：量子单极会衰变成另一个类似的磁单极子。对于这种获得的单极子的动力学的基本了解，可能有助于在未来建立更相似于磁单极子的类似物质。

　　不同于普通的磁铁，磁单极子是一种基本粒子，只有南或北磁极，但不是两者同时存在。他们在理论上预测了这种单极子的存在，但还没有令人信服的实验观测报告。因此物理学家忙着寻找模拟物体。

　　来自阿默斯特学院的David Hall教授说，在2014年，他们在实验上实现了狄拉克单极，即保罗·狄拉克的八十年前曾预言一种理论，他最初认为带电粒子与磁单极相互作用，。

　　阿尔托大学的Mikko Möttönen博士补充说，而在2015年，我们创造了真正的量子磁单极子。

　　而狄拉克单极模拟带电粒子在一个单极磁场附近的运动，量子磁单极子有一点像结构正处于自己领域的类似的磁单极粒子本身的特性。

　　如图所示是主实验室的仪器，图像中所需的磁场线圈和光学元件创建超流体，其中含有量子单极。图片来自：阿默斯特学院

　　从一种量子单极子到另一种仅需不到一秒钟时间。

　　现在David Hall和Mikko M为首研究团队，在单极子研究领域进行合作产生了其中的一种独特的磁单极子的类似物，并在自超流体中观察不到一秒钟就可以从一种转变到另一种。

　　听起来很容易，但是我们确实需要提高实验装置来让这个过程发生，Tuomas Ollikainen表述说，他是这篇新研究的第一作者。

　　科学家从一个非常接近于零的铷原子的极稀气体开始，在这个温度下形成玻色-爱因斯坦凝聚体。随后，他们让系统处在非磁化状态，并于一个外部磁场的零点处放置冷凝物，从而创建一个孤立的量子单极。然后他们保持零点位置，并等待系统在沿着空间变化的磁场中逐渐磁化。由此生成由于量子单极的破坏产生的狄拉克单极。

　　Möttönen博士说，当我第一次看到从衰变中得到狄拉克单极的时候，我正在进行空间的变化。这一发现很好地与我们多年前就已经发现的单极子联系在一起。

　　如上图，左侧是量子单极实验侧像。0.2秒后，量子单极已衰减到狄拉克单极并如右边图所示。不同颜色代表原子内部磁态的方向，亮度对应粒子密度。图片来源：Tuomas Ollikainen

　　量子单极就是所谓的拓扑点缺陷，即空间中的一个点，它被一个结构中的非磁化态所包围，而这个结构不能通过连续的整形来消除。这种结构即是2016年度诺贝尔物理学奖授予的部分拓扑相位跃迁的量子漩涡或涡流的发现有关的研究。

　　“涡线在超流体中的相关实验研究已经进行了几十年；另一方面，磁单极子的实验研究也有几年了，”Hall教授说。

　　虽然它的拓扑结构保护的量子单极，但因为整个阶段的物质变化它仍可以衰减，从非磁化到磁化的变化。

　　Ollikainen还说，无论你所做的一个冰雕多么坚硬多么，它在融化之后仍会流走，。

　　Möttönen博士说，但这是第一次，我们观察到了自发出现的与涡线相关的狄拉克磁单极子。