物理學(xué)的基石建立在對(duì)稱(chēng)性原則之上，其中最重要的莫過(guò)于牛頓第三定律——作用與反作用的對(duì)稱(chēng)性，即互易性。然而，在脫離平衡態(tài)的世界——即活性物質(zhì)的領(lǐng)域——充滿(mǎn)了挑戰(zhàn)這一對(duì)稱(chēng)性的系統(tǒng)，它們展現(xiàn)出令人著迷的集體行為，例如鳥(niǎo)群的聚集或活性膠體的自驅(qū)動(dòng)。發(fā)表在《自然通訊》的論文，提出光致非互易磁性的概念標(biāo)志著一項(xiàng)深刻的理論突破，它提供了一種可靠且實(shí)驗(yàn)可行的方案，將這些非互易現(xiàn)象延伸到高度可控的固態(tài)量子材料中，從而為光控量子物質(zhì)開(kāi)辟了一條新途徑。

固態(tài)物理中的互易性挑戰(zhàn)

在傳統(tǒng)的固態(tài)系統(tǒng)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(duì)稱(chēng)性 (JAB≠JBA) 并在量子材料中實(shí)現(xiàn)真正的非互易相互作用一直是一個(gè)重大挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的理論提議往往要求精確的、針對(duì)單一位點(diǎn)的量子控制，這對(duì)于目前宏觀(guān)材料的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?lái)說(shuō)非常困難。

非互易性的出現(xiàn)與系統(tǒng)被驅(qū)動(dòng)到遠(yuǎn)離平衡態(tài)密切相關(guān)。在活性系統(tǒng)中，能量被不斷地注入和耗散，從而創(chuàng)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(diào)的、非接觸式的驅(qū)動(dòng)力——來(lái)實(shí)現(xiàn)這種必要的非平衡態(tài)，特別是通過(guò)選擇性地工程化能量耗散。

耗散工程與非互易 RKKY 機(jī)制

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

• 在磁性金屬中的機(jī)制

磁性金屬由一個(gè)局域自旋（如d或f電子）的晶格組成，它們通過(guò)傳導(dǎo)電子（如s電子）海進(jìn)行間接相互作用。RKKY 相互作用就是由這些傳導(dǎo)電子介導(dǎo)的長(zhǎng)程耦合，是各種磁有序的來(lái)源。

1. 光注入與選擇性激活：仔細(xì)調(diào)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(tǒng)中的 B 層，而非A層）。這種光通過(guò)能帶間或雜化過(guò)程將電子驅(qū)動(dòng)到虛激發(fā)態(tài)。
2. 有源耗散：關(guān)鍵在于專(zhuān)門(mén)針對(duì)這個(gè)虛激發(fā)態(tài)引入一個(gè)衰變通道（即有源耗散γ）。這種持續(xù)從系統(tǒng)中抽取能量的耗散過(guò)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(chǎng)立即補(bǔ)充，使系統(tǒng)保持在一個(gè)持續(xù)活躍的非平衡穩(wěn)態(tài)。
3. 產(chǎn)生非互易轉(zhuǎn)矩：這種選擇性的能量抽取改變了 RKKY 相互作用。至關(guān)重要的是，光誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)矩在被激活的自旋處于能量有利配置時(shí)最強(qiáng)。通過(guò)制造這種不平衡，能量流和自旋動(dòng)力學(xué)變得不對(duì)稱(chēng)：

• 自旋A對(duì)自旋B的作用：自旋A對(duì)B施加正常的、類(lèi)似互易的相互作用（例如嘗試對(duì)齊）。
• 自旋 B 對(duì)自旋 A 的作用：活性驅(qū)動(dòng)和耗散的自旋 B 經(jīng)歷了一個(gè)光誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)矩，它將其推離首選的基態(tài)配置，這相當(dāng)于對(duì) A 施加了一個(gè)反向?qū)R的相互作用。
• 結(jié)果： 由此產(chǎn)生的交換耦合本質(zhì)上是非互易的：JAB≠JBA。自旋 A 試圖與 B 對(duì)齊，但 B 卻試圖與 A 反向?qū)R。

這種微觀(guān)過(guò)程有效地將對(duì)稱(chēng)的 RKKY 相互作用轉(zhuǎn)變?yōu)椴粚?duì)稱(chēng)（非互易）的交換張量（JAB≠JBA），這是光子驅(qū)動(dòng)的活性量子物質(zhì)所產(chǎn)生的深刻效應(yīng)。

集體現(xiàn)象：“追逐-逃逸”動(dòng)力學(xué)與手性相

非互易性的引入導(dǎo)致了在平衡系統(tǒng)中不可能出現(xiàn)的劇烈的集體現(xiàn)象，因?yàn)槠胶庀到y(tǒng)的基態(tài)是靜態(tài)的。

• “追逐-逃逸”動(dòng)力學(xué)

最直接的后果是出現(xiàn)“追逐-逃逸”動(dòng)力學(xué)?？紤]一個(gè)雙自旋系統(tǒng)：如果自旋 A 試圖與自旋 B 對(duì)齊，但自旋 B 卻試圖逃離 A，這兩個(gè)自旋將永久地相互追逐和逃離，導(dǎo)致磁化矢量在時(shí)間上持續(xù)的、不停歇的集體旋轉(zhuǎn)。這種隨時(shí)間變化的、自我維持的運(yùn)動(dòng)是活性系統(tǒng)的標(biāo)志。

• 非互易相變

當(dāng)這種機(jī)制應(yīng)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(kāi)）時(shí)，非互易的層間相互作用會(huì)觸發(fā)非互易相變。

• 低于臨界耗散 (γ<γc)： 系統(tǒng)保持在靜態(tài)狀態(tài)，這可能是鐵磁對(duì)齊（F）或反鐵磁反向?qū)R（AF）相，取決于最初的 RKKY 耦合強(qiáng)度。
• 高于臨界耗散 (γ＞γc)： 系統(tǒng)經(jīng)歷相變，進(jìn)入一個(gè)多體、時(shí)間依賴(lài)的手性相。這個(gè)相的特點(diǎn)是兩層磁化強(qiáng)度的集體、持續(xù)旋轉(zhuǎn)——即宏觀(guān)上可觀(guān)測(cè)的“追逐-逃逸”動(dòng)力學(xué)。與導(dǎo)致靜態(tài)基態(tài)的傳統(tǒng)相變不同，這是一種向動(dòng)態(tài)穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)變，它通過(guò)展示持續(xù)的運(yùn)動(dòng)來(lái)打破時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性。

這種轉(zhuǎn)變是系統(tǒng)活性本質(zhì)的直接體現(xiàn)，它將經(jīng)典活性物質(zhì)物理學(xué)的理論概念與量子凝聚態(tài)物理學(xué)連接起來(lái)。

意義與未來(lái)方向

光致非互易磁性的研究對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)都具有深遠(yuǎn)的意義。

1. 基礎(chǔ)物理學(xué)：它建立了一個(gè)可靠且實(shí)驗(yàn)可行的協(xié)議，用于在固態(tài)量子材料中創(chuàng)建和研究非互易相互作用。這為“活性量子固體”的發(fā)展以及探索一類(lèi)新的非平衡相變（其中系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)由永恒運(yùn)動(dòng)定義）鋪平了道路。
2. 技術(shù)應(yīng)用：利用光以動(dòng)態(tài)和非互易的方式控制磁有序的能力對(duì)于未來(lái)技術(shù)至關(guān)重要。潛在的應(yīng)用包括：

• 超快自旋電子學(xué)：開(kāi)發(fā)利用光控高速、非接觸性質(zhì)的自旋電子器件。
• 新型存儲(chǔ)和邏輯設(shè)備：創(chuàng)建新型磁性存儲(chǔ)器，其中信息存儲(chǔ)在動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)的手性相中，而非靜態(tài)配置中。
• 量子信息科學(xué)：耗散工程方案本身是操縱量子態(tài)的強(qiáng)大工具，可能適用于其他強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)，如莫特絕緣體或非傳統(tǒng)超導(dǎo)體。

據(jù)估計(jì)，實(shí)現(xiàn)這一效應(yīng)所需的激光注入功率在當(dāng)前最先進(jìn)的超快激光技術(shù)的能力范圍之內(nèi)，這表明光致非互易磁性的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)是一個(gè)明確的目標(biāo)，有望在光與物質(zhì)相互作用及磁性材料控制領(lǐng)域帶來(lái)一場(chǎng)革命。