罕见！这篇Science，第一作者用中文署名！

纳米人

2022-03-20

第一作者：Mo Chen (陈墨),  Changhao Li（李长昊）

通讯作者：Paola Cappellaro

通讯单位：麻省理工学院

主要内容

理论上三维空间磁场的形成是通过磁单极子实现的，但是这种理论上的模型微粒从未在实验中被观测到。目前人们认为，这种磁单极子能够在超冷体系中生成。有鉴于此，麻省理工学院Paola Cappellaro等报道在金刚石的缺陷位点量子阱中成功的合成了张量单极子（tensor monopole）。通过自旋度能够对单极子定义四维空间参数，进一步通过脉冲微波测试这种磁单极子的空间传播行为和拓扑结构变化情况。

在实验中通过两种互补的实验方法表征张量单极子的量子化拓扑电荷与相应的Kalb-Ramond发散场。进一步表征这种单极子的跃迁行为，通过引入外磁场观测到光谱跃迁，成功发现对称的光谱环。这项工作为研究弦理论有关的奇异拓扑结构和性质提供机会。该研究于2020年8月首发于预印版网站arXiv上，2022年3月正式发表于Science正刊。

同时，文中提到在文章发表过程中，南京大学于扬、朱诗亮、谭新生与华南师范大学张丹伟等几乎同时在2021年Phys. Rev. Lett.刊发了在超导量子比特体系中观测张量磁单极子（Phys. Rev. Lett. 2021, 126, 017702）。

研究背景

磁单极子在物理学领域的电磁场和拓扑材料等领域起到非常关键的作用，弦理论的发展使得传统的电磁矢量规范场发展为张量规范场，同时根据弦理论人们预测了性质奇特的张量单极子。

弦理论的出现为统一引力和量子现象提供了一种非常有效的理论，为发展量子引力提供了道路。在弦理论中，经典的点状微粒被重新定义为非点状的开放/闭合弦，经典的矢量规范场被重新定义为张力规范场。这种张力场由固体材料中作为张量单极子的点状缺陷位点产生。

根据弦理论，人们预测理论上存在性质奇特的张量单极子，高能物理领域的研究还没有直接实验证据说明磁性单极子。目前人们在超冷物质中实现了直接观测与单极子的有效规范场，最近人们在3D手性拓扑绝缘体和高阶拓扑绝缘体中应用张量单极子概念。

实验测试

图1.金刚石缺陷磁单极子测试条件优化。

调控张力单极子。在金刚石的三重态基态缺陷位点构建四维（4D）Hamiltonian参数确定的磁单极子，通过490 G的外磁场控制磁自旋轨道分裂，通过532 nm激光通过激发态进行极性转移，实现了调控缺陷位电子自旋和¹⁴N原子核自旋。

经过精确的调节微波频率、相位、振幅，实现了对4D张力单极子调控，调控过程和参数与理论预测结果实现非常好的符合；随后，测试了量子度量张量和Berry曲率，测试结果同样与理论模拟结果相符。

图2.张力磁单极子表征。

单极子跃迁光谱。通过磁场激发，探测发现一种新型光谱学跃迁现象，作者通过双重频率微波进行去谐，观测发现光谱由4D Weyl型跃迁，产生对称性的一对两重简并光谱。因此，通过调节微波实现了新型光谱学跃迁，在Weyl节点（B_z=0）向拓扑光谱环（B_z<h< span="">₀）的跃迁，进一步增加微波能量形成打开的能带（B_z>H₀）。</h<>

图3.磁单极子磁场激发光谱。

非常值得一提的是，论文第一作者陈墨在署名中加上中文姓名，这还是非常罕见的。

参考文献：

Mo Chen (陈墨), Changhao Li, Giandomenico Palumbo, Yanqing Zhu, Nathan Goldman, Paola Cappellaro, A synthetic monopole source of Kalb-Ramond field in diamond, Science 2022, 375 (6584), 1017-1020

DOI: 10.1126/science.abe6437

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abe6437

DOI: 10.48550/arXiv.2008.00596

https://arxiv.org/abs/2008.00596