Теоретическая основа предсказывает появление невзаимных взаимодействий, нарушающих третий закон Ньютона в твёрдых телах с помощью света
Исследователи из Японии сообщают, что можно индуцировать крутящий момент, который приводит два магнитных слоя в спонтанное, устойчивое вращение по принципу «догонялки». Это открывает новое направление в неравновесной материаловедении и предлагает новые применения в квантовых материалах, управляемых светом.
В равновесных системах физические системы подчиняются закону действия и противодействия в соответствии с принципом минимизации свободной энергии. Однако в неравновесных системах, таких как биологические или активные материи, взаимодействия, которые фактически нарушают этот закон, — так называемые невзаимные взаимодействия — являются обычным явлением.
Например, мозг состоит из тормозных и возбуждающих нейронов, которые взаимодействуют невзаимно; взаимодействие между хищником и добычей асимметрично, и коллоиды, погружённые в оптически активную среду, также демонстрируют невзаимные взаимодействия. Возникает естественный вопрос: можно ли реализовать такое невзаимное взаимодействие в твердотельных электронных системах?
Группа исследователей под руководством доцента Рё Ханаи из Института научных исследований Токио (Science Tokyo), Япония, в сотрудничестве с доцентом Дайки Ооцуки из Университета Окаямы, Япония, и доцентом Риной Тазаи из Киотского университета, Япония, утвердительно ответила на этот вопрос, предложив теоретический метод индукции невзаимных взаимодействий в твердотельных системах с помощью света. Их последние результаты были опубликованы онлайн в журнале Nature Communications 18 сентября 2025 года.
«Наше исследование предлагает общий способ превращения обычных взаимных спиновых взаимодействий в невзаимные с помощью света», — объясняет Ханаи. «В качестве конкретного примера мы показываем, что хорошо известное взаимодействие в магнитных металлах — взаимодействие Рудермана — Киттеля — Касуя – Йошиды (RKKY) — может приобрести невзаимный характер, когда материал облучается светом с частотой, которая выборочно открывает канал распада для определённых спинов, оставляя другие внерезонансными».
Руководствуясь повсеместностью активных и невзаимных явлений в природе, команда разработала схему инженерии диссипации, которая использует свет для выборочной активации каналов распада в магнитных металлах. Эти магнитные металлы обладают локализованными спинами и свободно движущимися электронами проводимости, что приводит к спин-обменному взаимодействию. Активация каналов распада создаёт дисбаланс в инжекции энергии между различными спинами, что приводит к невзаимным магнитным взаимодействиям.
Применяя схему инженерии диссипации к двухслойной ферромагнитной системе, исследователи предсказали неравновесный фазовый переход, называемый невзаимным фазовым переходом, который был ранее представлен одним из авторов в контексте активной материи, где один магнитный слой пытается выровняться с другим, в то время как другой стремится анти-выровняться при облучении светом. Это приводит к спонтанному и непрерывному вращению намагниченности — «хиральной» фазе, характеризующейся устойчивой динамикой «догонялки».
Этот новый «хиральный» фазовый переход уникален для нарушения симметрии действия и противодействия. Исследователи также обнаружили, что требуемая интенсивность света для индукции невзаимных фазовых переходов, по оценкам, находится в пределах досягаемости современных экспериментальных возможностей.
«Наша работа не только предоставляет новый инструмент для управления квантовыми материалами с помощью света, но также объединяет концепции из активной материи и физики конденсированных сред и может быть применена к изоляторам Мотта фаз сильно коррелированных электронов, многозонной сверхпроводимости и оптической фононной сверхпроводимости», — заключает Ханаи. Кроме того, эта работа потенциально может способствовать разработке новых типов спинтронных устройств и перестраиваемых по частоте генераторов.
В целом, это исследование проливает свет на применимость невзаимных взаимодействий к твердотельным системам и их потенциальное значение для инновационных технологий следующего поколения.
Предоставлено Институтом научных исследований Токио.
physical systems obey the law of action and reaction as per the free energy minimization principle. However, in non-equilibrium systems such as biological or active matter—interactions that effectively violate this law—the so-called non-reciprocal interactions are common.»,»For instance, the brain comprises inhibitory and excitatory neurons that interact non-reciprocally; the interaction between predator and prey is asymmetric, and colloids immersed in an optically active media demonstrate non-reciprocal interactions as well. A natural question arises: Can one implement such non-reciprocal interaction in solid-state electronic systems?»,»A research team led by Associate Professor Ryo Hanai from the Department of Physics at Institute of Science Tokyo (Science Tokyo), Japan, in collaboration with Associate Professor Daiki Ootsuki from Okayama University, Japan, and Assistant Professor Rina Tazai from Kyoto University, Japan, answered this question affirmatively by proposing a theoretical method to induce non-reciprocal interactions in solid-state systems using light. Their recent findings were published online in the journal Nature Communications on September 18, 2025.»,»\»Our study proposes a general way to turn ordinary reciprocal spin interactions into non-reciprocal ones using light,\» explains Hanai. \»As a concrete example, we show that a well-known interaction in magnetic metals—the Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida (RKKY) interaction—can acquire a non-reciprocal character when the material is irradiated with light at a frequency that selectively opens a decay channel for certain spins, while leaving others off-resonant.\»»,»Driven by the ubiquity of active and non-reciprocal phenomena in nature, the team developed a dissipation-engineering scheme that uses light to selectively activate decay channels in magnetic metals. These magnetic metals possess localized spins and freely moving conduction electrons, leading to spin-exchange coupling. Activating decay channels creates an imbalance in energy injection between different spins, resulting in non-reciprocal magnetic interactions.»,»By applying the dissipation-engineering scheme to a bilayer ferromagnetic system, the researchers predicted a non-equilibrium phase transition called a non-reciprocal phase transition that was previously introduced by one of the authors in the context of active matter, where one magnetic layer attempts to align with the other, while the other tends to anti-align, when irradiated with light. This leads to a spontaneous and continuous rotation of magnetization—a \»chiral\» phase characterized by persistent chase-and-run dynamics.»,»This novel \»chiral\» phase transition is unique to broken action-reaction symmetry. The researchers also found that the required light intensity for inducing non-reciprocal phase transitions was estimated to be within reach of current experimental capabilities.»,»\»Our work not only provides a new tool for controlling quantum materials with light but also bridges concepts from active matter and condensed matter physics and could be applied to Mott insulating phases of strongly correlated electrons, multi-band superconductivity, and optical phonon-mediated superconductivity,\» concludes Hanai. Furthermore, this work could potentially enable the development of new types of spintronic devices and frequency-tunable oscillators.»,»Overall, this research sheds light on the applicability of non-reciprocal interactions to solid-state systems and their potential implications for innovative next-generation technologies.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tInstitute of Science Tokyo\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Atomic and Condensed Matter\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник