第一作者：Mo Chen (陳墨), Changhao Li（李長昊）
通訊作者：Paola Cappellaro
通訊單位：麻省理工學院
主要內容
理論上三維空間磁場的形成是通過磁單極子實現的，但是這種理論上的模型微粒從未在實驗中被觀測到。目前人們認為，這種磁單極子能夠在超冷體系中生成。有鑒于此，麻省理工學院Paola Cappellaro等報道在金剛石的缺陷位點量子阱中成功的合成了張量單極子（tensor monopole）。通過自旋度能夠對單極子定義四維空間參數，進一步通過脈沖微波測試這種磁單極子的空間傳播行為和拓撲結構變化情況。
在實驗中通過兩種互補的實驗方法表征張量單極子的量子化拓撲電荷與相應的Kalb-Ramond發散場。進一步表征這種單極子的躍遷行為，通過引入外磁場觀測到光譜躍遷，成功發現對稱的光譜環。這項工作為研究弦理論有關的奇異拓撲結構和性質提供機會。該研究于2020年8月首發于預印版網站arXiv上，2022年3月正式發表于Science正刊。
同時，文中提到在文章發表過程中，南京大學于揚、朱詩亮、譚新生與華南師范大學張丹偉等幾乎同時在2021年Phys. Rev. Lett.刊發了在超導量子比特體系中觀測張量磁單極子（Phys. Rev. Lett. 2021, 126, 017702）。
研究背景
磁單極子在物理學領域的電磁場和拓撲材料等領域起到非常關鍵的作用，弦理論的發展使得傳統的電磁矢量規范場發展為張量規范場，同時根據弦理論人們預測了性質奇特的張量單極子。
弦理論的出現為統一引力和量子現象提供了一種非常有效的理論，為發展量子引力提供了道路。在弦理論中，經典的點狀微粒被重新定義為非點狀的開放/閉合弦，經典的矢量規范場被重新定義為張力規范場。這種張力場由固體材料中作為張量單極子的點狀缺陷位點產生。
根據弦理論，人們預測理論上存在性質奇特的張量單極子，高能物理領域的研究還沒有直接實驗證據說明磁性單極子。目前人們在超冷物質中實現了直接觀測與單極子的有效規范場，最近人們在3D手性拓撲絕緣體和高階拓撲絕緣體中應用張量單極子概念。
實驗測試
圖1.金剛石缺陷磁單極子測試條件優化。
調控張力單極子。在金剛石的三重態基態缺陷位點構建四維（4D）Hamiltonian參數確定的磁單極子，通過490 G的外磁場控制磁自旋軌道分裂，通過532 nm激光通過激發態進行極性轉移，實現了調控缺陷位電子自旋和14N原子核自旋。
經過精確的調節微波頻率、相位、振幅，實現了對4D張力單極子調控，調控過程和參數與理論預測結果實現非常好的符合；隨后，測試了量子度量張量和Berry曲率，測試結果同樣與理論模擬結果相符。
圖2.張力磁單極子表征。
單極子躍遷光譜。通過磁場激發，探測發現一種新型光譜學躍遷現象，作者通過雙重頻率微波進行去諧，觀測發現光譜由4D Weyl型躍遷，產生對稱性的一對兩重簡并光譜。因此，通過調節微波實現了新型光譜學躍遷，在Weyl節點（Bz=0）向拓撲光譜環（Bz<h< span="">0）的躍遷，進一步增加微波能量形成打開的能帶（Bz>H0）。</h<>
圖3.磁單極子磁場激發光譜。
非常值得一提的是，論文第一作者陳墨在署名中加上中文姓名，這還是非常罕見的。
參考文獻：
Mo Chen (陳墨), 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
