3D 打印机械-磁体中的宏观磁单极子

自 Maxwell 方程提出以来，磁单极子概念一直困扰物理学家，Dirac 曾著名地在量子力学背景下假设其存在。尽管作为基本粒子它们在实验中难以捉摸，该概念已用于描述多种材料体系中的激发或拓扑缺陷，从液晶、Hall 系统、skyrmion 晶格到玻色-爱因斯坦凝聚体。磁单极子作为物质中准粒子最多样的体现或许见于所谓自旋冰材料。在那里，它们代表冰规则（ice rule）的违背，携带磁荷，并可自由无束缚地运动。自旋冰涌现磁单极子出现于稀土烧绿石中的原子尺度，或人工自旋冰系统的纳米尺度。此处我们首次证明磁单极子概念可移植至宏观尺度。我们构建了一个通过 3D 打印实现的机械-磁体，由带可转动宏观磁体的机械转子组成。通过控制转子相对高度，我们可实现磁单极子的不同态，包括自由单极态。随后我们探索其在场下的受驱动力学。未来，将我们的原理验证集成于弹性基质可催生新型宏观机械-磁性材料，以探索异常压磁与磁致伸缩，并应用于执行器与软体机器人。