11 月 5 日消息，日本東京科學(xué)大學(xué)的研究人員提出了一種理論框架 —— 通過(guò)光照可以在固體材料中誘導(dǎo)“非互易相互作用”，即有效打破牛頓第三定律的“作用力與反作用力平衡”。

其研究表明，在特定頻率的光照下，磁性金屬可產(chǎn)生一種力矩，使兩層磁性薄膜自發(fā)進(jìn)入持續(xù)的“追逐旋轉(zhuǎn)”狀態(tài)。這項(xiàng)成果為非平衡態(tài)材料科學(xué)開(kāi)辟了新方向，并可能為光控量子材料帶來(lái)新應(yīng)用。

在平衡態(tài)系統(tǒng)中，物理過(guò)程通常遵循自由能最小化原則，即“作用力與反作用力相等”。然而，在非平衡系統(tǒng)中，如生物活性物質(zhì)或活性物質(zhì)系統(tǒng)中，常出現(xiàn)“非互易相互作用”現(xiàn)象。

例如，大腦中興奮與抑制性神經(jīng)元之間的作用是非對(duì)稱的，捕食者與獵物之間的關(guān)系也是如此；在光學(xué)活性介質(zhì)中，膠體顆粒之間也可表現(xiàn)出非互易作用。研究人員由此提出一個(gè)問(wèn)題：這種現(xiàn)象能否在固體電子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)？

東京科學(xué)大學(xué)物理系副教授花井亮領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，與岡山大學(xué)大槻太毅副教授、京都大學(xué)田財(cái)里奈助理教授合作，給出了肯定答案。相關(guān)研究成果已于 2025 年 9 月發(fā)表于《自然?通訊》。

花井亮解釋稱：“我們的研究提出了一種通用方法，可以利用光將原本對(duì)稱的自旋相互作用轉(zhuǎn)變?yōu)榉腔ヒ紫嗷プ饔?。以磁性金屬中的著名相互作?——RKKY 相互作用 —— 為例，我們證明當(dāng)光的頻率被精確調(diào)節(jié)，使部分自旋開(kāi)啟衰減通道而另一些保持非共振狀態(tài)時(shí)，該相互作用會(huì)呈現(xiàn)出非互易特征?！?/p>

研究團(tuán)隊(duì)基于自然界中廣泛存在的非平衡與非互易現(xiàn)象，提出了“耗散工程”方案：通過(guò)光照選擇性激活磁性金屬中的衰減通道，從而在不同自旋間造成能量注入不平衡，誘導(dǎo)非互易磁相互作用。

當(dāng)這一方案應(yīng)用于雙層鐵磁系統(tǒng)時(shí)，研究人員預(yù)測(cè)到一種此前僅在活性物質(zhì)研究中提出過(guò)的“非互易相變”。在光照條件下，一層磁層傾向于與另一層平行，而另一層則傾向于反平行，最終導(dǎo)致磁化方向的自發(fā)、持續(xù)旋轉(zhuǎn)。這一“手性”相變代表了一種破壞作用-反作用對(duì)稱性的全新?tīng)顟B(tài)。

研究還指出，實(shí)現(xiàn)這種非互易相變所需的光強(qiáng)度在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下已可實(shí)現(xiàn)。

花井亮總結(jié)道：“我們的研究不僅為光控量子材料提供了新的調(diào)控手段，還在活性物質(zhì)物理與凝聚態(tài)物理之間架起了橋梁。未來(lái)，這一機(jī)制有望應(yīng)用于強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系的莫特絕緣態(tài)、多能帶超導(dǎo)體，以及光聲子介導(dǎo)的超導(dǎo)現(xiàn)象?！?/p>

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，該理論還可能推動(dòng)新型自旋電子器件及可調(diào)頻振蕩器的研發(fā)，為下一代光控量子技術(shù)提供新的物理基礎(chǔ)。

附論文 DOI: 10.1038 / s41467-025-62707-9。