复旦与西交校友联手发Science：找到了90年来不见踪影的神奇粒子？

一、【引言】

提到电和磁，可能每个人都不陌生，从日常的照明到动力装置，你都看得到它们的影子。作为广为熟悉的经典方程，19世纪诞生的麦克斯韦方程组将电场、磁场与电荷密度、电流密度之间的关系详细描绘，跨越几个世纪依旧是经典之作。不过，细思量，麦氏方程似乎没有把类似电荷的磁荷囊括其中，为什么呢？

回到我们的日常，你可能无数次想把一块磁铁打碎，以求得只有南极或北极的“磁荷”，即所谓梦幻的“磁单极子”，但无论你如何努力，终究只有那南北两极相爱不离的铁杆两极磁铁。当然，除了你我，世界上的无数科学家也在苦苦寻找这个神奇的“神秘客”。

说到这位神秘客，目光回到1931年，彼时的英国理论物理大家——保罗·狄拉克（Paul Dirac）巧妙的证明了磁单极子是可以存在的，到了上世纪70年代，在大统一理论以及超弦理论的框架下，磁单极子是其必然结果。正如帝国理工学院学者Arttu Rajantie多年前为Physics Today撰写的文章中写道的那样“The discovery of the mysterious hypothetical particles would provide a tantalizing glimpse of new laws of nature beyond the standard model.”，磁单极子的发现将成为我们打开超越标准模型的、窥视自然界新法则的一把神奇钥匙或者魔力药水。目前，人类已知的基本粒子中，磁单极子仅仅是一种假想存在的基本粒子，无论是地球的山河，还是外太空的星河，甚至是宇宙的微尘里，以及科学家们动用的价值不菲的对撞机里，我们对它的追寻都是空空如也。

不过，材料以及凝聚态物理学家们想到了另一个可能窥视到其性质的方案，即通过在凝聚态系统中构建类似于磁单极子的“准粒子”。例如，早在2003年，现任的中科院物理所所长方忠发表在Science上的工作，即在晶体倒空间中可能存在磁单极子，而这一现象恰好与反常霍尔效应密切相关，最终在SrRuO₃中观测到了晶体动量空间中存在着的磁单极子。那么，为何凝聚态学者可以在实验中观测到类似于实空间“磁单极子”的准粒子呢？因为在晶格宇宙中，磁单极子类似物的能量远低于实际空间可能存在的磁单极子的能量，狄拉克在90多年前预测的那个“神秘客”的能量要求是10¹⁶ GeV！！！所以，尽管找不到你的真身，却能将你的魅影囚禁在晶体的晶格宇宙里。

现在，大家应该对这一神奇粒子稍有了解了吧，那么，开始我们今天的正餐。

二、【成果掠影】

人类目前对基本物理现象的理解依赖于两个主要支柱，广义相对论和量子场论。然而，它们之间的相互不兼容性对所有基本相互作用的统一理论的形成造成了严重的限制。弦理论提出了一种强大的形式来统一引力和量子现象，为量子引力提供了一条具体的途径。在这种情况下，传统的点状粒子被扩展对象取代，如闭合的弦和开放的弦，而传统的矢量规范场被提升为张量Kalb-Ramond规范场。与狄拉克单极子直接类比，张量规范场可以从称为张量单极子的点状缺陷中发出。在四维空间中，张量磁单极子电荷根据拓扑Dixmier-Douady (DD)不变量进行量化，该不变量概括了与狄拉克单极子相关的陈数（Chern number）。

在高能物理实验中，磁单极子的实验证据仍然缺乏。然而，与有效规范场相关的合成单极子最近已在超冷物质中被检测到。此外，动量空间单极子在拓扑物质中发挥着核心作用，特别是在表征三维(3D) Weyl半金属时。最近，张量磁单极子和D-D不变量的概念出现在三维手性拓扑绝缘体和高阶拓扑绝缘体中。

磁单极子在从电磁到拓扑物质的物理领域中发挥着核心作用。弦理论将电动力学的传统矢量规范场推广为张量规范场，并预测了更多奇异张量磁单极子的存在。近日，美国麻省学院的Paola Cappellaro（通讯作者）团队在Science上发表文章，题为“A synthetic monopole source of Kalb-Ramond field in diamond”。来自中国的年轻学者陈墨和李长昊为共同第一作者。目前陈墨博士正在加州理工大学开展博士后工作，而李长昊是西安交大2017届物理试验班的毕业生。他们的研究报道了在由金刚石中单个固体缺陷自旋自由度定义的四维参数空间中张量单磁极子的合成。利用两种互补的方法，通过测量张量单磁极子的量子化拓扑电荷和发射的Kalb-Ramond场来对张量磁单极子进行表征。通过引入一个虚构的打破手性对称性的外场，该研究进一步观察到一个有趣的光谱跃迁，其特征是受镜像对称性保护的光谱环。该工作证明了模拟受弦理论启发的奇异拓扑结构的可能性。

三、【数据概览】

图1 参数调制 ©2022 AAAS

图2  揭示了张量单极子 ©2022 AAAS

图3  由外场触发的光谱跃迁 ©2022 AAAS

四、【成果启示】

该研究报道了由金刚石中单个固态缺陷的自旋自由度定义的四维参数空间中的张量磁单极子的合成。采用两种互补的方法，通过测量其量子化拓扑电荷及其发出的 Kalb-Ramond 场来表征张量磁单极子。通过引入一个打破手征对称性的虚构外部场，该研究进一步观察到了一个有趣的光谱跃迁，其特征是受镜像对称性保护的光谱环。该研究工作证明了模拟受弦理论启发的奇异拓扑结构的可能性。

五、【一点花絮】

1. 为何在署名中出现中文？

   可能很多读者会纳闷，为何在论文署名中可以同时出现拼音和中文名，其实，在物理学界，有很多类似的文章发表，美国物理学会的投稿须知中，有这样一条：

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.

说起这一要求，还源自2007年美国物理学会发表的一篇社论：

因此，英文论文可以同时署上个人的母语姓名的一大好处是“作者消歧”。此外，大多数期刊在投稿系统中都要求作者将个人的ORCID号进行绑定，这一规定很多人可能不甚理解，其实，这也是为了确保每位作者的身份识别的唯一性，避免出现同英文名不同人的情况。

2.论文结尾为何出现这样一段话？

    如果阅读过今天推送的这篇成果，会在文章结尾注意到一段话“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).”

其实，在2020年的8月3日，这篇发表在Science上的成果就已经以题为“Experimental characterization of the 4D tensor monopole and topological nodal rings”发布在了预印本平台arXiv上，而就在作者们将论文投稿到Science杂志的2020年9月3日后的第六天，国内学者投稿到PRL的题为“Experimental Observation of Tensor Monopoles with a Superconducting Qudit”的论文被接收，并于2021年1月7日发表。此时的Science投稿论文还在审稿中，因此，最后加上了文章中结尾出现的那段话，并且删除了8月3日稿件摘要中的一句话“we report the first experimental observation of……”。这一小插曲倒是印证了这一研究领域极可能会成为未来的一个新兴前沿。

文献链接：A synthetic monopole source of Kalb-Ramond field in diamond. Science. 2022. DOI: 10.1126/science.abe6437.

本文由Free-Writon和纳米小白供稿。