磁單極子（Magnetic monopole）指僅帶單一磁極的基本粒子，與我們熟悉的磁鐵——同時(shí)具N極與S極的磁偶極子（magnetic dipole）不同，前者磁感線分布類似點(diǎn)電荷的電場(chǎng)線分布，或者說(shuō)是攜帶孤立“磁荷”的基本粒子。

無(wú)論貼在冰箱的磁鐵還是地球本身，始終具有一對(duì)無(wú)法孤立的相反磁極，迄今為止也尚未發(fā)現(xiàn)以基本粒子形式存在的磁單極子證據(jù)，但磁單極子是21世紀(jì)物理學(xué)界和天文學(xué)界熱門研究主題之一，因?yàn)榇艈螛O子相互作用過(guò)程與一般電磁現(xiàn)象截然不同，不僅涉及物質(zhì)磁性來(lái)源、電磁現(xiàn)象對(duì)稱性，還與宇宙極早期演化、微觀粒子結(jié)構(gòu)等相關(guān)。

數(shù)個(gè)尚未得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)、超越標(biāo)準(zhǔn)模型的理論（如大統(tǒng)一理論、超弦理論）都預(yù)測(cè)有磁單極子，若能找到它們，就像找到拼圖缺失的一塊。

最近劍橋大學(xué)、牛津大學(xué)、新加坡國(guó)立大學(xué)團(tuán)隊(duì)使用“鉆石量子傳感”技術(shù)，觀察赤鐵礦表面的旋轉(zhuǎn)紋理和微弱磁性信號(hào)，第一次通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到自然發(fā)生的磁單極子。

研究人員在赤鐵礦材料表面發(fā)現(xiàn)磁單極子

科學(xué)家尋找磁單極子的策略涉及涌現(xiàn)（emergence）概念，當(dāng)許多物理小實(shí)體組成產(chǎn)生大實(shí)體，后者會(huì)展現(xiàn)大于或不同小實(shí)體具有的特性，而研究人員說(shuō)這就是赤鐵礦表面發(fā)生的情況。

漩渦拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存于主要2種類型材料：鐵磁體和反鐵磁體，其中反鐵磁體比鐵磁體更穩(wěn)定也更難研究，因?yàn)樗鼈儾痪哂袕?qiáng)磁性特征。

為了研究反鐵磁體行為，研究人員使用鉆石量子磁力測(cè)量成像技術(shù)精確測(cè)量反鐵磁性材料“氧化鐵”的表面磁場(chǎng)（不影響其行為），發(fā)現(xiàn)表面一群粒子聯(lián)合起來(lái)，產(chǎn)生與只有一個(gè)磁極的單一粒子相同效果。

赤鐵礦（Hematite）是一種常見(jiàn)氧化鐵化合物，分子式Fe2O3，在赤鐵礦中微小的磁單極子通過(guò)許多自旋集體行為出現(xiàn)，它們于赤鐵礦表面旋轉(zhuǎn)紋理上滑動(dòng)并發(fā)散磁場(chǎng)，就像微小的磁荷冰球。

該研究不僅凸顯鉆石量子磁力測(cè)量潛力，還強(qiáng)調(diào)量子材料隱藏的磁性現(xiàn)象，若能加以控制，這些帶磁荷的旋轉(zhuǎn)紋理將能為超快速、更節(jié)能的計(jì)算機(jī)內(nèi)存邏輯提供動(dòng)力。該成果還有助于物理學(xué)、天文學(xué)基礎(chǔ)理論的發(fā)展，以及對(duì)宇宙起源的深入認(rèn)知。

新論文發(fā)表在《自然材料》（Nature Materials）期刊。