研究人员在一种与铁锈密切相关的材料中发现了磁单极子——孤立的磁荷，这一结果可用于为更环保、更快的计算技术提供动力。
由剑桥大学领导的研究人员使用了一种被称为钻石量子传感的技术来观察赤铁矿(一种氧化铁)表面的旋转纹理和微弱的磁信号。
研究人员观察到，赤铁矿中的磁单极子是通过许多自旋(粒子的角动量)的集体行为出现的。这些单极子滑过赤铁矿表面的旋转结构，就像磁荷的小冰球。这是第一次通过实验观察到自然发生的涌现单极子。
该研究还显示了之前隐藏的漩涡纹理与赤铁矿等材料的磁荷之间的直接联系，就好像有一个密码将它们连接在一起。研究结果发表在《自然材料》杂志上，可能有助于实现下一代逻辑和存储应用。
根据剑桥物理学巨匠詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)的方程式，磁性物体，无论是冰箱磁铁还是地球本身，都必须以一对不可分离的磁极的形式存在。
“我们每天使用的磁铁有南北两极，”领导这项研究的Mete atatatre教授说。“在19世纪，人们假设单极子可能存在。但在他研究电磁学的一个基本方程中，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦不同意这种说法。”
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是剑桥大学卡文迪什实验室的负责人，这个职位曾由麦克斯韦本人担任。他说:“如果单极子确实存在，而且我们能够把它们分离出来，那就像找到了一块被认为已经丢失的拼图。”
大约15年前，科学家们提出了单极子是如何存在于磁性材料中的。这一理论结果依赖于北极和南极的极端分离，因此，在局部，每个极点都被一种叫做自旋冰的奇特物质孤立起来。
然而，还有另一种方法可以找到涉及涌现概念的单极子。涌现的概念是许多物理实体的组合，这些实体可以产生多于或不同于其部分之和的属性。
剑桥大学的研究人员与牛津大学和新加坡国立大学的同事合作，利用涌现现象发现了在二维空间中传播的单极子，它们在磁性材料表面的旋转纹理上滑动。
涡旋拓扑织构存在于两种主要的材料中:铁磁体和反铁磁体。在这两种磁体中，反铁磁体比铁磁体更稳定，但由于它们没有很强的磁性特征，因此研究起来更困难。
为了研究反铁磁体的行为，atat
在目前的研究中，研究人员使用该技术观察了赤铁矿，一种反铁磁性的氧化铁材料。令他们惊讶的是，他们在赤铁矿中发现了隐藏的磁荷模式，包括单极子、偶极子和四极子。
“单极子已经在理论上得到了预测，但这是我们第一次在自然产生的磁体中实际看到二维单极子，”来自牛津大学的合著者保罗·拉达利教授说。
“这些单极子是围绕一个奇点旋转的许多自旋的集体状态，而不是单个固定粒子，因此它们通过多体相互作用出现。结果是一个微小的、局部稳定的粒子，从它发出发散的磁场，”来自牛津大学的共同第一作者哈里姆·贾尼博士说。
“我们已经展示了如何使用钻石量子磁强计来解开二维量子材料中磁性的神秘行为，这可能会在这一领域开辟新的研究领域，”卡文迪什实验室的第一作者之一安东尼·谭博士说。“挑战一直是在反铁磁体中直接成像这些纹理，因为它们的磁力较弱，但现在我们能够通过钻石和铁锈的完美结合来做到这一点。”
这项研究不仅突出了金刚石量子磁强计的潜力，而且强调了其发现和研究量子材料中隐藏的磁现象的能力。如果得到控制，这些带有磁荷的旋转纹理可以为超快速和节能的计算机存储逻辑提供动力。
