《自然通訊》重磅：光致非互易磁性

物理學的基石建立在對稱性原則之上，其中最重要的莫過于牛頓第三定律——作用與反作用的對稱性，即互易性。然而，在脫離平衡態的世界——即活性物質的領域——充滿了挑戰這一對稱性的系統，它們展現出令人著迷的集體行為，例如鳥群的聚集或活性膠體的自驅動。發表在《自然通訊》的論文，提出光致非互易磁性的概念標志著一項深刻的理論突破，它提供了一種可靠且實驗可行的方案，將這些非互易現象延伸到高度可控的固態量子材料中，從而為光控量子物質開辟了一條新途徑。

固態物理中的互易性挑戰

在傳統的固態系統中，相互作用通常由平衡哈密頓量描述，確保自旋 A 施加給自旋 B 的力或交換耦合，與 B 施加給 A 的力或交換耦合精確地抵消。打破這種對稱性 (JAB≠JBA) 并在量子材料中實現真正的非互易相互作用一直是一個重大挑戰。現有的理論提議往往要求精確的、針對單一位點的量子控制，這對于目前宏觀材料的實驗能力來說非常困難。

非互易性的出現與系統被驅動到遠離平衡態密切相關。在活性系統中，能量被不斷地注入和耗散，從而創造出打破作用與反作用原理的條件。光致非互易性的核心思想是利用光——這種外部的、可調的、非接觸式的驅動力——來實現這種必要的非平衡態，特別是通過選擇性地工程化能量耗散。

耗散工程與非互易 RKKY 機制

光致非互易磁性方案的核心在于對磁性金屬中著名的 RKKY (Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida) 相互作用應用耗散工程。

• 在磁性金屬中的機制

磁性金屬由一個局域自旋（如d或f電子）的晶格組成，它們通過傳導電子（如s電子）海進行間接相互作用。RKKY 相互作用就是由這些傳導電子介導的長程耦合，是各種磁有序的來源。

1. 光注入與選擇性激活：仔細調諧的激光被注入材料，其目的是選擇性地耦合到一部分局域自旋（例如，在雙層系統中的 B 層，而非A層）。這種光通過能帶間或雜化過程將電子驅動到虛激發態。
2. 有源耗散：關鍵在于專門針對這個虛激發態引入一個衰變通道（即有源耗散γ）。這種持續從系統中抽取能量的耗散過程是選擇性的——它只作用于與光耦合的自旋（例如自旋 B）。損失的能量被光場立即補充，使系統保持在一個持續活躍的非平衡穩態。
3. 產生非互易轉矩：這種選擇性的能量抽取改變了 RKKY 相互作用。至關重要的是，光誘導的轉矩在被激活的自旋處于能量有利配置時最強。通過制造這種不平衡，能量流和自旋動力學變得不對稱：

• 自旋A對自旋B的作用：自旋A對B施加正常的、類似互易的相互作用（例如嘗試對齊）。
• 自旋 B 對自旋 A 的作用：活性驅動和耗散的自旋 B 經歷了一個光誘導的轉矩，它將其推離首選的基態配置，這相當于對 A 施加了一個反向對齊的相互作用。
• 結果： 由此產生的交換耦合本質上是非互易的：JAB≠JBA。自旋 A 試圖與 B 對齊，但 B 卻試圖與 A 反向對齊。

這種微觀過程有效地將對稱的 RKKY 相互作用轉變為不對稱（非互易）的交換張量（JAB≠JBA），這是光子驅動的活性量子物質所產生的深刻效應。

集體現象：“追逐-逃逸”動力學與手性相

非互易性的引入導致了在平衡系統中不可能出現的劇烈的集體現象，因為平衡系統的基態是靜態的。

• “追逐-逃逸”動力學

最直接的后果是出現“追逐-逃逸”動力學。考慮一個雙自旋系統：如果自旋 A 試圖與自旋 B 對齊，但自旋 B 卻試圖逃離 A，這兩個自旋將永久地相互追逐和逃離，導致磁化矢量在時間上持續的、不停歇的集體旋轉。這種隨時間變化的、自我維持的運動是活性系統的標志。

• 非互易相變

當這種機制應用于層狀鐵磁體（例如，兩層鐵磁層 A 和 B 被非磁性金屬間隔層隔開）時，非互易的層間相互作用會觸發非互易相變。

• 低于臨界耗散 (γ<γc)： 系統保持在靜態狀態，這可能是鐵磁對齊（F）或反鐵磁反向對齊（AF）相，取決于最初的 RKKY 耦合強度。
• 高于臨界耗散 (γ＞γc)： 系統經歷相變，進入一個多體、時間依賴的手性相。這個相的特點是兩層磁化強度的集體、持續旋轉——即宏觀上可觀測的“追逐-逃逸”動力學。與導致靜態基態的傳統相變不同，這是一種向動態穩態的轉變，它通過展示持續的運動來打破時間反演對稱性。

這種轉變是系統活性本質的直接體現，它將經典活性物質物理學的理論概念與量子凝聚態物理學連接起來。

意義與未來方向

光致非互易磁性的研究對基礎科學和應用科學都具有深遠的意義。

1. 基礎物理學：它建立了一個可靠且實驗可行的協議，用于在固態量子材料中創建和研究非互易相互作用。這為“活性量子固體”的發展以及探索一類新的非平衡相變（其中系統的穩態由永恒運動定義）鋪平了道路。
2. 技術應用：利用光以動態和非互易的方式控制磁有序的能力對于未來技術至關重要。潛在的應用包括：

• 超快自旋電子學：開發利用光控高速、非接觸性質的自旋電子器件。
• 新型存儲和邏輯設備：創建新型磁性存儲器，其中信息存儲在動態旋轉的手性相中，而非靜態配置中。
• 量子信息科學：耗散工程方案本身是操縱量子態的強大工具，可能適用于其他強關聯電子系統，如莫特絕緣體或非傳統超導體。

據估計，實現這一效應所需的激光注入功率在當前最先進的超快激光技術的能力范圍之內，這表明光致非互易磁性的實驗實現是一個明確的目標，有望在光與物質相互作用及磁性材料控制領域帶來一場革命。