近日，上海科技大学物质学院张石磊团队与中科院物理研究所于国强团队合作，在亚铁磁连续薄膜体系中证实了层展磁单极子重合态的存在。其关键的实验证据得益于先进同步辐射实验方法学——软X射线三维磁表征的开发。该成果以“Superposition of Emergent Monopole and Antimonopole in CoTb Thin Films”为题发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。
磁性材料中的层展三维拓扑磁单极子示意
磁单极子是一种具有量子化磁荷的基本粒子。在电动力学中，自然界中产生磁场的最小单元是磁偶极矩，即一个正磁荷和负磁荷紧密地由假想的狄拉克弦连结。在这个模型中有一个有趣的悖论：狄拉克弦有多长？极限是什么？如果把弦缩短至极限，将发生正磁荷与负磁荷在空间上的重叠。虽然从常理来上说当粒子与其反粒子足够靠近时，粒子对将直接湮灭，但在量子电动力学中，磁单极子与反磁单极子可能形成一种新的束缚态——磁单极子重合态。虽然在实验上并没有找到磁单极子或磁单极子重合态，长期以来对等效或层展磁单极子的研究已经逐步扩展到了物理学科的多个领域。在磁性材料中，人们发现由自旋排列成的三维矢量场结构也存在类似的磁单极子的形式。因此，在磁性材料中研究此类层展磁单极子重合态的性质，对基础电磁力和电磁相互作用的起源具有深远的意义。然而，如何在磁性体系中设计、寻找并观测到这种奇异磁单极子重合态是研究该科学问题的难点。
为了解决以上问题，研究者们在一类亚铁磁材料CoTb薄膜中发现了磁单极子重合态存在的踪迹，并利用新开发的基于X射线共振弹性散射(REXS)的新方法学对25纳米厚的薄膜进行了三维磁重构，确切地证实了磁单极重合态在该亚铁磁体系中的存在，并利用洛伦兹电子显微镜(LTEM)直接观测到了其自旋排布结构。CoTb多层膜作为一种典型的亚铁磁材料，其磁性原子钴（Co）与铽（Tb）的磁序排布相反，理论上来说则可能形成磁单极子-反磁单极子对：由钴离子产生的等效感生磁场的源极将会与铽离子产生的等效感生磁场的漏极重合。为了验证这个猜想，LTEM是最直接的磁成像方法。然而，LTEM作为一种常用的二维磁结构表征手段，对样品厚度信息并不敏感，从而无法探测复杂的磁单极子的三维结构。针对此，研究者们结合了REXS与磁圆二色，对样品近表面一定深度范围内的磁结构进行切片处理，重构出了三维磁单极子以及其重合态的深度结构信息。该工作不仅证实了在亚铁磁材料是寻找和研究磁单极子重合态的理想体系，更提供了基于REXS的三维磁结构重构技术，为三维复杂磁有序体系的研究提供了新方法。
中科院物理所磁学国家重点实验室光耀和上海科技大学拓扑物理实验室助理研究员冉柯静为文章的共同第一作者，张石磊教授和于国强研究员为该工作的共同通讯作者。该工作得到了上海科技大学物质学院拓扑物理实验室和光子科学与凝聚态物理研究部的大力支持。该成果得到国家重点研发计划、北京市自然科学基金、国家自然科学基金以及上海市扬帆计划等经费支持。
论文链接（点击阅读原文获取更多内容）：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.217201
图 文 冉柯静
编 辑 陈 蕾
高 瑄