Nat. Commun.|新方向！光诱导非互易磁性实际违反了牛顿第三定律
发布时间：2025-11-05 16:59:11 阅读数： 75
在层状铁磁体中，会发生向多体、时变手性相的非互易相变。
日本研究人员报告称，一项理论框架预测了固体中利用光产生非互惠相互作用的现象，这种现象实质上违反了牛顿第三定律。他们证明，通过向磁性金属照射精心调谐频率的光，可诱导扭矩驱动两层磁性材料进入自发且持久的“追逐与逃逸”旋转状态。这项工作为非平衡材料科学开辟了新领域，并为光控量子材料提供了创新应用方向。
在平衡状态下，物理系统遵循自由能最小化原理，遵守作用与反作用定律。然而在非平衡系统中——如生物或活性物质系统——那些实质上违反该定律的相互作用极为常见，即所谓的非互惠性相互作用。
例如：大脑由抑制性与兴奋性神经元构成，二者间存在非互惠交互；捕食者与猎物间的相互作用具有不对称性；悬浮于光学活性介质中的胶体同样展现非互惠交互。由此自然引出关键问题：能否在固态电子系统中实现此类非互惠交互？
由日本东京科学研究所（Science Tokyo）物理系花井亮（Ryo Hanai）副教授领导的研究团队，联合冈山大学大槻大树（Daiki Ootsuki）副教授与京都大学田濑里奈（Rina Tazai）助理教授，通过提出利用光诱导固态系统非互易相互作用的理论方法，给出了肯定答案。该团队最新成果已发表于《自然·通讯》期刊。
该项研究提出了一种通用方法，利用光将普通的互惠自旋相互作用转化为非互惠相互作用，以具体实例而言，研究人员证明了磁性金属中广为人知的鲁德曼-基特尔-卡苏亚-吉田（RKKY）相互作用，当材料受到特定频率光照射时，可获得非互易特性——这种光能选择性地为某些自旋打开衰减通道，同时使其他自旋处于非共振状态。
通过耗散实现磁相互作用与磁性的光控调控。
受自然界中普遍存在的活性与非互易现象启发，研究团队开发出一种耗散工程方案，利用光能选择性激活磁性金属中的衰减通道。这类磁性金属同时存在局域自旋与自由移动的导电电子，从而形成自旋交换耦合。激活衰减通道会导致不同自旋间的能量注入失衡，进而产生非互易磁性相互作用。
通过将耗散工程方案应用于双层铁磁系统，研究人员预测出一种非平衡相变——非互易相变。该概念由其中一位作者在活性物质领域率先提出：当受到光照时，一层磁性材料试图与另一层对齐，而另一层则倾向于反向排列。这导致磁化方向发生自发连续旋转——形成以持续追逐动态为特征的“手性”相。
软活性系统中出现的非互惠相互作用示例。
这种新型“手性”相变是作用-反作用对称性破缺的独特体现。研究人员还发现，诱导非互易相变所需的光强度估计在当前实验能力范围内可达。
这项工作不仅为光控量子材料提供了新工具，更架起了活性物质与凝聚态物理学的概念桥梁，可应用于强关联电子的莫特绝缘相、多带超导及光声子介导超导等领域。此外，该成果有望推动新型自旋电子器件与可调谐振荡器的研发。
总体而言，这项研究揭示了非互易相互作用在固态系统中的应用前景，及其对创新性下一代技术的潜在影响。
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