科学家突破牛顿第三定律：光控非互易磁相互作用开辟量子材料新途径

11月5日消息，日本东京科学大学研究团队提出了一项创新理论框架——通过特定频率的光照能够在固体材料中诱导出"非互易相互作用"，从而有效突破牛顿第三定律中"作用力与反作用力平衡"的经典规律。

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研究表明，在特定频率的光照条件下，磁性金属会产生一种特殊力矩，使两层磁性薄膜自发进入持续的"追逐旋转"状态。这项成果为非线性材料科学开辟了新方向，并有望为光控量子材料带来创新应用。

在平衡态系统中，物理过程通常遵循自由能最小化原则，即"作用力与反作用力相等"。然而，在非平衡系统中，如生物活性物质或活性物质体系，常会出现"非互易相互作用"现象。

比如，大脑中兴奋性与抑制性神经元之间的作用是非对称的，捕食者与猎物之间的关系也是如此；在光学活性介质中，胶体颗粒之间同样可能表现出非互易作用特征。研究人员由此提出一个关键问题：这种现象能否在固体电子系统中实现？

由东京科学大学物理系副教授花井亮领导的科研团队，与冈山大学大槻太毅副教授、京都大学田财里奈助理教授合作，给出了肯定的答案。相关研究成果已于2025年9月发表于《自然·通讯》。

花井亮解释道："我们的研究提出了一种普适性方法，能够利用光线将原本对称的自旋相互作用转变为非互易相互作用。以磁性金属中著名的RKKY相互作用为例，我们证实当光的频率被精确调节，使部分自旋开启衰减通道而另一些保持非共振状态时，该相互作用会呈现出鲜明的非互易特征。"

研究团队基于自然中广泛存在的非平衡与非互易现象，创新性地提出了"耗散工程"方案：通过光照选择性激活磁性金属中的衰减通道，从而在不同自旋间造成能量注入不平衡，成功诱导出非互易磁相互作用。

当这一方案应用于双层铁磁系统时，研究人员观察到一种此前仅在活性物质研究中提出过的"非互易相变"。在光照条件下，一层磁层倾向于与另一层平行排列，而另一层则呈现反平行趋势，最终引发磁化方向的自发、持续旋转。这种"手性相变"代表了一种打破作用-反作用对称性的全新物态。

研究还指出，实现这种非互易相变所需的光强度在现有实验条件下完全可行。

花井亮总结道："我们的研究不仅为光控量子材料提供了新的调控手段，更在活性物质物理与凝聚态物理之间架起了桥梁。未来，这一机制有望应用于强关联电子体系的莫特绝缘态、多能带超导体，以及光声子介导的超导现象。"

研究团队认为，该理论还可能推动新型自旋电子器件及可调频振荡器的研发，为下一代光控量子技术奠定新的物理基础。

附论文 DOI: 10.1038 / s41467-025-62707-9。