Μαγνητισμός που προκαλείται από το φως φαίνεται να παραβιάζει τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα

Μια θεωρητική μελέτη από το Institute of Science Tokyo προβλέπει ότι είναι δυνατόν να προκύψουν μη αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις στα στερεά σώματα μέσω φωτός – αλληλεπιδράσεις που φαίνεται να παραβιάζουν τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα, τον θεμελιώδη νόμο της δράσης και της αντίδρασης. Οι ερευνητές δείχνουν ότι, με ακτινοβόληση φωτός συγκεκριμένης συχνότητας σε ένα μαγνητικό μέταλλο, μπορεί να προκληθεί ροπή που οδηγεί δύο μαγνητικά στρώματα σε μια αυθόρμητη, διαρκή περιστροφή τύπου «καταδίωξης και φυγής».

Η ανακάλυψη αυτή ανοίγει έναν νέο δρόμο στη φυσική μη ισορροπίας και υποδεικνύει νέες προοπτικές για τη φωτοελεγχόμενη κβαντική ύλη.

Η παραβίαση της συμμετρίας δράσης-αντίδρασης

Σε κατάσταση ισορροπίας, τα φυσικά συστήματα υπακούουν στον νόμο της δράσης και της αντίδρασης, σύμφωνα με την αρχή ελαχιστοποίησης της ελεύθερης ενέργειας. Όμως, στα συστήματα εκτός ισορροπίας -όπως στη βιολογική ή ενεργή ύλη– συχνά εμφανίζονται μη αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις που παραβιάζουν αποτελεσματικά αυτόν τον νόμο.

Για παράδειγμα, ο εγκέφαλος περιλαμβάνει ανασταλτικούς και διεγερτικούς νευρώνες που αλληλεπιδρούν με μη συμμετρικό τρόπο· η σχέση θηρευτή-θηράματος είναι εγγενώς ασύμμετρη· και τα κολλοειδή σωματίδια μέσα σε οπτικά ενεργά μέσα εμφανίζουν επίσης μη αμοιβαίες δυνάμεις.

Το ερώτημα, λοιπόν, ήταν αν μια τέτοια μη αμοιβαιότητα μπορεί να εφαρμοστεί και σε στερεά ηλεκτρονικά συστήματα.

Φως που μετατρέπει τη συμμετρία σε ασυμμετρία

Η ομάδα του Ryo Hanai, αναπληρωτή καθηγητή στο Τμήμα Φυσικής του Institute of Science Tokyo, σε συνεργασία με τους Daiki Ootsuki (Πανεπιστήμιο Okayama) και Rina Tazai (Πανεπιστήμιο Kyoto), έδωσε μια καταφατική απάντηση. Όπως αναφέρει ο Hanai, «η μελέτη μας προτείνει έναν γενικό τρόπο να μετατρέψουμε τις συνηθισμένες αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις των σπιν σε μη αμοιβαίες χρησιμοποιώντας φως».

Ως συγκεκριμένο παράδειγμα, η ομάδα δείχνει ότι η γνωστή αλληλεπίδραση RKKY (Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida) στα μαγνητικά μέταλλα μπορεί να αποκτήσει μη αμοιβαίο χαρακτήρα όταν το υλικό ακτινοβολείται με φως σε συχνότητα που ανοίγει επιλεκτικά διαύλους αποδιέγερσης για ορισμένα σπιν, αφήνοντας άλλα εκτός συντονισμού.

Η γέννηση μιας χιραλικής φάσης υπό φωτισμό

Η ερευνητική ομάδα ανέπτυξε ένα σχήμα μηχανικής διάχυσης (dissipation-engineering) που χρησιμοποιεί το φως για να ενεργοποιήσει επιλεκτικά κανάλια αποδιέγερσης στα μαγνητικά μέταλλα. Η διαδικασία αυτή δημιουργεί ενεργειακή ανισορροπία ανάμεσα στα σπιν, οδηγώντας σε μη αμοιβαίες μαγνητικές αλληλεπιδράσεις.

Όταν εφαρμόστηκε αυτό το σχήμα σε διπλοστρωματικό φερρομαγνητικό σύστημα, οι ερευνητές προέβλεψαν μια μη ισορροπιακή φασική μετάβαση, την αποκαλούμενη «μη αμοιβαία φασική μετάβαση». Σε αυτήν, το ένα μαγνητικό στρώμα τείνει να ευθυγραμμιστεί με το άλλο, ενώ εκείνο επιδιώκει την αντιευθυγράμμιση. Το αποτέλεσμα είναι μια αυθόρμητη, συνεχής περιστροφή μαγνήτισης – μια χιραλική φάση που χαρακτηρίζεται από δυναμική καταδίωξης και φυγής.

Προς νέα γενιά φωτοελεγχόμενων υλικών

Η νέα αυτή φάση είναι μοναδική, καθώς προκύπτει μόνο όταν σπάει η συμμετρία δράσης-αντίδρασης. Οι υπολογισμοί της ομάδας δείχνουν ότι η απαιτούμενη ένταση φωτός για την πρόκληση τέτοιων μεταβάσεων βρίσκεται εντός των δυνατοτήτων των σημερινών πειραματικών τεχνικών.

«Η εργασία μας δεν προσφέρει απλώς ένα νέο εργαλείο για τον έλεγχο κβαντικών υλικών με φως, αλλά γεφυρώνει και τις έννοιες της φυσικής της ενεργής ύλης με εκείνες της συμπυκνωμένης ύλης», σημειώνει ο Hanai. Η μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο Nature Communications τον Σεπτέμβριο του 2025, υποδεικνύει εφαρμογές σε συστήματα ισχυρά συσχετισμένων ηλεκτρονίων, πολυζωνική υπεραγωγιμότητα και υπεραγωγιμότητα μέσω οπτικών φωνόνων.

Η έρευνα αυτή ανοίγει νέους ορίζοντες για φωτοελεγχόμενα σπιντρονικά συστήματα και ρυθμιζόμενους ταλαντωτές, ενώ ταυτόχρονα επαναπροσδιορίζει τα όρια του ίδιου του νόμου της δράσης και της αντίδρασης μέσα στην κβαντική ύλη.