[论文解读] Absence of magnetic monopoles in Maxwellian magnetoelectrics

Flavio S. Nogueira, Jeroen van den Brink|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2018

Topological Materials and Phenomena被引用 6

一句话总结

本文研究了由轴子电动力学支配的拓扑绝缘体的电磁响应，表明尽管电场与磁场之间存在耦合，精确解显示并无磁单极子存在——涡旋状屏蔽场在所有地方的散度为零，从而排除了单极子的形成。尽管存在类似磁荷的角动量，但其普遍通过介电常数实现量子化，证实了麦克斯韦型磁电材料中不存在磁单极子。

ABSTRACT

The electromagnetic response of topological insulators is governed by axion electrodynamics, which features a topological magnetoelectric term in the Maxwell equations. As a consequence magnetic fields become the source of electric fields and vice-versa, a phenomenon that is general for any material exhibiting a linear magnetoelectric effect. Axion electrodynamics has been associated with the possibility to create magnetic monopoles, in particular by a electrical charge that is screened above the surface of a magnetoelectric material. Here we present the exact solution for the electromagnetic fields in this geometry and show that while vortex-like magnetic screening fields are generated by the electrical charge their divergence is identically zero at every point in space which implies a strict absence of magnetic monopoles. Although magnetic image charges can be made explicit in the problem, no bound state with electric charges yielding a dyon arises. A dyon-like angular momentum follows from our analysis, but is quantized in a universal way, because of its dependence on the dielectric constant. This is consistent with a general argument that precludes magnetic monopoles to be generated in Maxwell magnetoelectrics.

研究动机与目标

• 研究在轴子电动力学支配下的拓扑绝缘体中，磁单极子是否可能出现。
• 分析带电粒子靠近磁电界面时的电磁响应，特别是屏蔽场的性质。
• 确定电荷与磁像电荷之间是否可能形成束缚态（即磁荷-电荷束缚态，dyon）。
• 评估系统中与角动量相关的特性是否表现出单极子样行为及其量子化特性。
• 建立一个普遍理论论据，以证明在麦克斯韦型磁电材料中无法生成磁单极子。

提出的方法

• 在点电荷靠近磁电界面的条件下，求解电磁场的精确解析解。
• 在麦克斯韦方程中应用包含拓扑磁电项的轴子电动力学。
• 计算磁感应强度场的散度，以验证是否存在磁单极子。
• 显式构造系统中的磁像电荷，以分析其在场构型中的作用。
• 分析由电磁场构型产生的角动量，特别是其量子化特性。
• 将介电常数作为决定磁荷-电荷类似角动量量子化的关键参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过表面屏蔽的点电荷在麦克斯韦型磁电材料中生成磁单极子？
• RQ2 由电荷感应出的磁感应强度场是否表现出非零散度，从而指示存在单极子源？
• RQ3 电荷与磁像电荷之间能否形成类似磁荷-电荷束缚态（dyon）的束缚态？
• RQ4 系统中的角动量是否表现出单极子样特征，且是否实现量子化？
• RQ5 磁单极子的缺失是否与轴子电动力学中的普遍理论论断一致？

主要发现

• 磁感应强度场的散度在空间每一点都恒为零，证明尽管存在涡旋状屏蔽场，仍不存在磁单极子。
• 可以显式定义磁像电荷，但其不会与电荷形成束缚态，从而排除了dyon的形成。
• 由场构型产生的类似dyon的角动量存在，但其普遍通过介电常数实现量子化。
• 角动量的量子化与材料特异性参数无关，而仅由介电常数决定。
• 结果支持一个普遍理论论断：磁单极子无法在麦克斯韦型磁电材料中生成。
• 精确解证实，拓扑磁电效应在经典电磁学意义上不会导致类似单极子的现象。