復旦與西交校友聯手發Science：找到了90年來不見蹤影的神奇粒子？

一、【引言】

提到電和磁，可能每個人都不陌生，從日常的照明到動力裝置，你都看得到它們的影子。作為廣為熟悉的經典方程，19世紀誕生的麥克斯韋方程組將電場、磁場與電荷密度、電流密度之間的關系詳細描繪，跨越幾個世紀依舊是經典之作。不過，細思量，麥氏方程似乎沒有把類似電荷的磁荷囊括其中，為什么呢？

回到我們的日常，你可能無數次想把一塊磁鐵打碎，以求得只有南極或北極的“磁荷”，即所謂夢幻的“磁單極子”，但無論你如何努力，終究只有那南北兩極相愛不離的鐵桿兩極磁鐵。當然，除了你我，世界上的無數科學家也在苦苦尋找這個神奇的“神秘客”。

說到這位神秘客，目光回到1931年，彼時的英國理論物理大家——保羅·狄拉克（Paul Dirac）巧妙的證明了磁單極子是可以存在的，到了上世紀70年代，在大統一理論以及超弦理論的框架下，磁單極子是其必然結果。正如帝國理工學院學者Arttu Rajantie多年前為Physics Today撰寫的文章中寫道的那樣“The discovery of the mysterious hypothetical particles would provide a tantalizing glimpse of new laws of nature beyond the standard model.”，磁單極子的發現將成為我們打開超越標準模型的、窺視自然界新法則的一把神奇鑰匙或者魔力藥水。目前，人類已知的基本粒子中，磁單極子僅僅是一種假想存在的基本粒子，無論是地球的山河，還是外太空的星河，甚至是宇宙的微塵里，以及科學家們動用的價值不菲的對撞機里，我們對它的追尋都是空空如也。

不過，材料以及凝聚態物理學家們想到了另一個可能窺視到其性質的方案，即通過在凝聚態系統中構建類似于磁單極子的“準粒子”。例如，早在2003年，現任的中科院物理所所長方忠發表在Science上的工作，即在晶體倒空間中可能存在磁單極子，而這一現象恰好與反常霍爾效應密切相關，最終在SrRuO₃中觀測到了晶體動量空間中存在著的磁單極子。那么，為何凝聚態學者可以在實驗中觀測到類似于實空間“磁單極子”的準粒子呢？因為在晶格宇宙中，磁單極子類似物的能量遠低于實際空間可能存在的磁單極子的能量，狄拉克在90多年前預測的那個“神秘客”的能量要求是10¹⁶?GeV！！！所以，盡管找不到你的真身，卻能將你的魅影囚禁在晶體的晶格宇宙里。

現在，大家應該對這一神奇粒子稍有了解了吧，那么，開始我們今天的正餐。

二、【成果掠影】

人類目前對基本物理現象的理解依賴于兩個主要支柱，廣義相對論和量子場論。然而，它們之間的相互不兼容性對所有基本相互作用的統一理論的形成造成了嚴重的限制。弦理論提出了一種強大的形式來統一引力和量子現象，為量子引力提供了一條具體的途徑。在這種情況下，傳統的點狀粒子被擴展對象取代，如閉合的弦和開放的弦，而傳統的矢量規范場被提升為張量Kalb-Ramond規范場。與狄拉克單極子直接類比，張量規范場可以從稱為張量單極子的點狀缺陷中發出。在四維空間中，張量磁單極子電荷根據拓撲Dixmier-Douady (DD)不變量進行量化，該不變量概括了與狄拉克單極子相關的陳數（Chern number）。

在高能物理實驗中，磁單極子的實驗證據仍然缺乏。然而，與有效規范場相關的合成單極子最近已在超冷物質中被檢測到。此外，動量空間單極子在拓撲物質中發揮著核心作用，特別是在表征三維(3D) Weyl半金屬時。最近，張量磁單極子和D-D不變量的概念出現在三維手性拓撲絕緣體和高階拓撲絕緣體中。

磁單極子在從電磁到拓撲物質的物理領域中發揮著核心作用。弦理論將電動力學的傳統矢量規范場推廣為張量規范場，并預測了更多奇異張量磁單極子的存在。近日，美國麻省學院的Paola Cappellaro（通訊作者）團隊在Science上發表文章，題為“A synthetic monopole source of Kalb-Ramond field in diamond”。來自中國的年輕學者陳墨和李長昊為共同第一作者。目前陳墨博士正在加州理工大學開展博士后工作，而李長昊是西安交大2017屆物理試驗班的畢業生。他們的研究報道了在由金剛石中單個固體缺陷自旋自由度定義的四維參數空間中張量單磁極子的合成。利用兩種互補的方法，通過測量張量單磁極子的量子化拓撲電荷和發射的Kalb-Ramond場來對張量磁單極子進行表征。通過引入一個虛構的打破手性對稱性的外場，該研究進一步觀察到一個有趣的光譜躍遷，其特征是受鏡像對稱性保護的光譜環。該工作證明了模擬受弦理論啟發的奇異拓撲結構的可能性。

三、【數據概覽】

圖1?參數調制 ?2022?AAAS

圖2??揭示了張量單極子??2022 AAAS

圖3??由外場觸發的光譜躍遷??2022 AAAS

四、【成果啟示】

該研究報道了由金剛石中單個固態缺陷的自旋自由度定義的四維參數空間中的張量磁單極子的合成。采用兩種互補的方法，通過測量其量子化拓撲電荷及其發出的 Kalb-Ramond 場來表征張量磁單極子。通過引入一個打破手征對稱性的虛構外部場，該研究進一步觀察到了一個有趣的光譜躍遷，其特征是受鏡像對稱性保護的光譜環。該研究工作證明了模擬受弦理論啟發的奇異拓撲結構的可能性。

五、【一點花絮】

1. 為何在署名中出現中文？

???可能很多讀者會納悶，為何在論文署名中可以同時出現拼音和中文名，其實，在物理學界，有很多類似的文章發表，美國物理學會的投稿須知中，有這樣一條：

Formatting Chinese, Japanese, and Korean Author Names: Authors with Chinese, Japanese, or Korean names can display their names in their own language alongside the English versions of their names.

說起這一要求，還源自2007年美國物理學會發表的一篇社論：

因此，英文論文可以同時署上個人的母語姓名的一大好處是“作者消歧”。此外，大多數期刊在投稿系統中都要求作者將個人的ORCID號進行綁定，這一規定很多人可能不甚理解，其實，這也是為了確保每位作者的身份識別的唯一性，避免出現同英文名不同人的情況。

2.論文結尾為何出現這樣一段話？

????如果閱讀過今天推送的這篇成果，會在文章結尾注意到一段話“Note added in proof: During the preparation of this manuscript, we noticed another experimental work that describes the observation of the tensor monopole by using superconducting circuits (29).”

其實，在2020年的8月3日，這篇發表在Science上的成果就已經以題為“Experimental characterization of the 4D tensor monopole and topological nodal rings”發布在了預印本平臺arXiv上，而就在作者們將論文投稿到Science雜志的2020年9月3日后的第六天，國內學者投稿到PRL的題為“Experimental Observation of Tensor Monopoles with a Superconducting Qudit”的論文被接收，并于2021年1月7日發表。此時的Science投稿論文還在審稿中，因此，最后加上了文章中結尾出現的那段話，并且刪除了8月3日稿件摘要中的一句話“we report the first experimental observation of……”。這一小插曲倒是印證了這一研究領域極可能會成為未來的一個新興前沿。

文獻鏈接：A synthetic monopole source of Kalb-Ramond field in diamond.?Science. 2022. DOI: 10.1126/science.abe6437.

本文由Free-Writon和納米小白供稿。