最新發現與創新：我科學家證明磁極也有“單身漢”

傳統電動力學的基本結論之一，是南北磁極總會成對出現，不存在單個的磁極(磁單極)，但中科院物理研究所研究員方忠等人首次證明了磁單極的存在。這一研究結果，發表在10月3日美國出版的《科學》雜志上。

為了追求電磁場的對稱統一，世界著名物理科學家狄拉克1931年首次預言了磁單極的存在，然而迄今為止，各國科學家進行了種種努力，仍然缺乏有力的實驗證據證明其存在。

方忠卻從另一個角度考慮這個問題：現代物理學特別是材料科學的迅速發展，導致了晶格倒空間概念的提出;因為晶體具有嚴格的周期對稱性，其中電子的行為必須要用量子力學中的波函數的概念來描述。每一個可能的電子占據態相應于晶格倒空間(動量空間)中的一個波函數。電子的波函數與其他任何波動如聲波、水波等一樣都具有相干性，其相干圖樣與晶體材料的結構及磁性有關。當動量空間中的兩個波函數具有相同的能量時(即簡并態)，此兩個波函數之間的位相差將形成一個勢能奇點。從而導致此點周圍電磁場分布的改變。

方忠等人詳細分析了此種動量空間中的勢能奇點問題(BerryPhase)，首次提出其實質上相應于倒空間的一種磁單極存在形式。這種磁單極并非存在于實際空間，而是存在于晶體的動量空間中。并且，這種磁單極具有很低的能量，能夠在實驗中很容易觀測到。最直接的方法是測量磁性晶體中的反常Hall效應。由于磁單極的存在，電子的Hall輸運行為受到很大影響，導致其反常Hall系數與晶體的磁化強度成非線性關系，而并非以前預測的線性關系。方忠基于以上理論，并通過第一原理計算的方法，直接計算出了鈣鈦礦型釕氧化物中的反常Hall系數，并與日本著名實驗科學家十倉好紀領導的實驗小組測量的實驗結果進行了比較，得到了一致的結果。

此結果將可能對超導機理的研究、及具有特殊電磁特性的新材料的設計等，起到直接的理論指導作用。