Третият закон на Нютон се пропука под лъча на лазер – физици показаха как светлината може да наруши равновесието на материята

Японски учени разработиха теоретичен модел, който дава възможност да се наруши третият закон на Нютон в твърдото тяло, което става с помощта на светлината. Оказва се, че ако правилно се облъчи магнитен метал със светлина с определена честота, могат да възникнат специални нереципрочни (необратими) взаимодействия, при които силата на действието не е равна на силата на противодействието.

Изследването е проведено от екип, ръководен от доцент Рьо Ханаи от Научния институт в Токио, с участието на колеги от Университета в Окаяма и Университета в Киото. Учените показаха, че когато двуслойна феромагнитна система е изложена на светлина, може да възникне ефект, при който единият магнитен слой започва да се стреми да се подравни към другия, докато вторият слой – напротив – се опитва да „избяга“ от подравняването. Това води до спонтанно непрекъснато въртене на магнитните моменти в системата, наподобяващо поведението на хищник и плячка – така наречената „хирална“ фаза.

В равновесната физика (т.е. в затворени и стабилни системи) всички взаимодействия са симетрични и третият закон на Нютон е стриктно изпълнен. Но в природата има много системи, които са извън равновесието – в тях действието и противодействието не винаги са балансирани. Такива нереципрочни взаимодействия се наблюдават например между инхибиторните и възбуждащите неврони в мозъка, между хищник и плячка или колоидни частици в активна среда. Учените поставиха въпроса: може ли да се постигне такава асиметрия в твърдите тела – и намериха начин.

Авторите предлагат да се използва подходът на дисипационното инженерство – т.е. насочено управление на енергийните загуби. Те са взели за основа познатото на физиците взаимодействие Рудерман-Китела-Касуя-Йошида (RKKYA), което се осъществява в магнитните метали между локализираните спинове и проводящите електрони. Когато такъв материал се облъчи със светлина с определена честота, се отварят специални канали за разсейване на енергията, но не за всички спинове едновременно. Това създава енергиен разрив и симетрията на взаимодействията се нарушава – те стават насочени, както в активната биологична среда.

Прилагайки модела към двуслойната система, изследователите предвиждат нов тип фазов преход извън равновесието, описан преди това теоретично в активната материя. При определен интензитет на светлината спиновете на слоевете преминават в стабилно, неамортизирано въртене – това е хиралната фаза с ефект „настигни и избягай“.

Както подчертава Рьо Ханаи, предложената техника може да се използва не само в спинтрониката. Тя дава на учените нов инструмент за управление на квантовите материали с помощта на светлината. В бъдеще тя може да се използва в системи със силно корелирани електрони, в многозонова свръхпроводимост или в материали, в които свръхпроводимостта е свързана с вибрациите на решетката (оптични фонони).