揭示新兴磁单极子的本质

磁单极子是三维空间中具有孤立磁荷的基本粒子。换句话说，它们表现为磁体的孤立北极或南极。自 1931 年物理学家保罗·狄拉克首次提出磁单极子以来，磁单极子一直受到研究者的关注。然而，真正的磁单极子尚未被观测到，其存在性仍是一个悬而未决的问题。另一方面，科学家发现了在凝聚态系统中数学上表现为磁单极子的准粒子，从而产生了有趣的现象。

最近，研究人员发现一种名为锰锗(MnGe)的材料具有独特的周期性结构，由称为刺猬和反刺猬的特殊磁性结构形成，称为磁刺猬晶格。在这些特殊配置中，磁矩指向径向向外(刺猬)或向内(反刺猬)，类似于刺猬的脊椎。这些刺猬和反刺猬就像磁单极子和反单极子，充当新兴磁场的源或汇。MnGe表现出所谓的三Q刺猬晶格。然而，最近的实验表明，用Si(MnSi 1- x Ge x)替代Ge会将这种排列转变为四Q刺猬晶格(4 Q -HL)。这种新的排列也存在于钙钛矿铁氧体SrFeO 3中，为研究和控制刺猬晶格的性质提供了一种有希望的途径。此外，这些磁单极子还能通过遵循麦克斯韦电磁定律的运动而产生电场。要理解由此产生的新物理现象，研究刺猬晶格的固有激发态至关重要。

在最近的一项研究中，早稻田大学应用物理学系的 Masahito Mochizuki 教授和博士生 Rintaro Eto 从理论上研究了MnSi 1-x Ge x和 SrFeO 3 中 4 个Q -HL 的集体激发模式。 “我们的研究首次阐明了磁性材料中出现的磁单极子的未知动力学性质。这可以启发未来对刺猬型材料进行实验，这些材料可应用于电子设备以及连接粒子物理学和凝聚态物理学，” Mochizuki 说。他们的研究于 2024 年 5 月 31 日发表在《物理评论快报》上。

研究人员利用三维 Kondo 晶格模型，重现了在 MnSi 1- x Ge x和 SrFeO 3中发现的两种不同的 4 Q -HL ，并分析了它们的动力学特性。他们发现 4 Q -HL 具有与狄拉克弦振荡相关的集体激发模式。狄拉克弦是量子力学中的一个理论概念，它描述连接磁单极子和磁反单极子(在本例中为刺猬和反刺猬)的弦。研究人员发现，这些激发模式的数量取决于狄拉克弦的数量和配置，这提供了一种通过实验确定刺猬和反刺猬的空间配置及其在 MnSi 1- x Ge x和 SrFeO 3等真实磁体中的独特拓扑结构的方法。这一发现也为其他磁体中刺猬晶格的动力学提供了见解。此外，该发现使我们能够通过外部磁场控制狄拉克弦的存在或不存在来打开和关闭激发模式。

在解释其研究结果的重要性时，Eto 表示：“研究中揭示的集体自旋激发模式是直接反映新兴磁单极子存在(或不存在)的基本激发。因此，我们的研究结果将成为未来研究磁性材料中新兴单极子更详细的动态性质的基本指导方针。此外，它们可能成为新型场可切换自旋电子器件的基石，例如基于新兴电磁学的纳米级发电机、光电转换器和光/微波滤波器。 ”

这些发现有可能为基础物理学开辟新的研究途径，并促进涉及磁体中新兴磁单极子的新技术的发展。

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