最新发现与创新：我科学家证明磁极也有“单身汉”

传统电动力学的基本结论之一，是南北磁极总会成对出现，不存在单个的磁极(磁单极)，但中科院物理研究所研究员方忠等人首次证明了磁单极的存在。这一研究结果，发表在10月3日美国出版的《科学》杂志上。

为了追求电磁场的对称统一，世界著名物理科学家狄拉克1931年首次预言了磁单极的存在，然而迄今为止，各国科学家进行了种种努力，仍然缺乏有力的实验证据证明其存在。

方忠却从另一个角度考虑这个问题：现代物理学特别是材料科学的迅速发展，导致了晶格倒空间概念的提出;因为晶体具有严格的周期对称性，其中电子的行为必须要用量子力学中的波函数的概念来描述。每一个可能的电子占据态相应于晶格倒空间(动量空间)中的一个波函数。电子的波函数与其他任何波动如声波、水波等一样都具有相干性，其相干图样与晶体材料的结构及磁性有关。当动量空间中的两个波函数具有相同的能量时(即简并态)，此两个波函数之间的位相差将形成一个势能奇点。从而导致此点周围电磁场分布的改变。

方忠等人详细分析了此种动量空间中的势能奇点问题(BerryPhase)，首次提出其实质上相应于倒空间的一种磁单极存在形式。这种磁单极并非存在于实际空间，而是存在于晶体的动量空间中。并且，这种磁单极具有很低的能量，能够在实验中很容易观测到。最直接的方法是测量磁性晶体中的反常Hall效应。由于磁单极的存在，电子的Hall输运行为受到很大影响，导致其反常Hall系数与晶体的磁化强度成非线性关系，而并非以前预测的线性关系。方忠基于以上理论，并通过第一原理计算的方法，直接计算出了钙钛矿型钌氧化物中的反常Hall系数，并与日本著名实验科学家十仓好纪领导的实验小组测量的实验结果进行了比较，得到了一致的结果。

此结果将可能对超导机理的研究、及具有特殊电磁特性的新材料的设计等，起到直接的理论指导作用。