光照射により「追いかけっこ」して回り続けるスピン~光で電子間の作用反作用の法則を破る~

2025-09-18 東京科学大学

東京科学大学・岡山大学・京都大学の研究チームは、光照射によって固体中に「非相反相互作用」を人工的に生み出す理論を提案した。これは通常の作用反作用の法則を見かけ上破り、磁性金属二層系に適用すると、それぞれの磁化が逆向きに揃おうとし“追いかけっこ”のように自発的な回転運動を続ける状態を誘起できると予言された。生命系で普遍的に見られる非相反相互作用を固体物質に応用した新しい概念であり、光の周波数や強度によって回転のオン・オフや速度を制御できるため、周波数変調機などの量子物質応用につながる可能性がある。成果は Nature Communications に掲載。

光照射により「追いかけっこ」して回り続けるスピン~光で電子間の作用反作用の法則を破る~
図1. 本研究で提案した磁化の間の非相反相互作用。作用反作用の法則を実効的に破っている

<関連情報>

光誘起非互換磁性 Photoinduced non-reciprocal magnetism

Ryo Hanai,Daiki Ootsuki & Rina Tazai
Nature Communications  Published:18 September 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-62707-9

Abstract

Out of equilibrium, the action-reaction symmetry of interactions is often broken, leading to the emergence of various collective phenomena with no equilibrium counterparts. Although ubiquitous in classical active systems, implementing such non-reciprocal interactions in solid-state systems has remained challenging, as known quantum schemes require precise single-site control. Here, we propose a dissipation-engineering protocol that induces non-reciprocal interactions in solid-state platforms with light, which we expect to be achievable with state-of-the-art experimental techniques. Focusing on magnetic metals, we show microscopically that a light injection that introduces a decay channel to a virtually excited state gives rise to non-reciprocal interactions between localized spins, resulting in chase-and-runaway dynamics. Applying our scheme to layered ferromagnets, we show that a non-reciprocal phase transition to a many-body time-dependent chiral phase occurs. Our work paves the way to bring solid-state systems to the realm of non-reciprocal science, providing yet another possibility to control quantum matter with light.

1700応用理学一般
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