Un gruppo di ricercatori giapponesi ha dimostrato teoricamente che è possibile indurre interazioni non reciproche nei materiali magnetici utilizzando la luce, creando condizioni in cui due strati magnetici entrano spontaneamente in una rotazione perpetua di "inseguimento", violando di fatto la terza legge di Newton. La scoperta, pubblicata sulla rivista Nature Communications il 18 settembre 2025, apre prospettive inedite nel controllo ottico dei materiali quantistici e nella scienza dei materiali fuori equilibrio, dimostrando come concetti tipici della materia attiva biologica possano essere trasferiti ai sistemi elettronici allo stato solido.
Il team di ricerca, guidato dal professor associato Ryo Hanai del Dipartimento di Fisica dell'Institute of Science Tokyo, in collaborazione con l'Università di Okayama e l'Università di Kyoto, ha sviluppato uno schema innovativo che sfrutta la luce per attivare selettivamente canali di decadimento nei metalli magnetici. Questi materiali presentano spin localizzati ed elettroni di conduzione liberi, generando un accoppiamento di spin-scambio. Irradiando il materiale con luce a una frequenza accuratamente calibrata, il team ha mostrato come sia possibile trasformare la ben nota interazione Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) da reciproca a non reciproca.
La chiave del meccanismo risiede nella cosiddetta "ingegneria della dissipazione": la radiazione luminosa apre canali di decadimento selettivi per determinati spin, lasciando altri fuori risonanza. Questo crea uno squilibrio nell'iniezione di energia tra diversi spin, generando interazioni magnetiche asimmetriche che violano il principio di azione-reazione. Nei sistemi all'equilibrio termodinamico, le leggi della fisica impongono che le interazioni rispettino il principio di minimizzazione dell'energia libera e la terza legge di Newton. Tuttavia, nei sistemi fuori equilibrio - come la materia biologica, i sistemi predatore-preda o i neuroni inibitori ed eccitatori nel cervello - le interazioni non reciproche sono comuni.
Applicando questo schema a un sistema ferromagnetico a doppio strato, i ricercatori hanno predetto una transizione di fase non reciproca completamente nuova. Quando il sistema viene irradiato con luce, uno strato magnetico tenta di allinearsi con l'altro, mentre il secondo tende ad anti-allinearsi. Questo comportamento asimmetrico genera una rotazione spontanea e continua della magnetizzazione, definita fase "chirale", caratterizzata da una dinamica persistente di inseguimento reciproco. Si tratta di uno stato della materia che non può esistere in condizioni di equilibrio e che emerge esclusivamente quando la simmetria azione-reazione è violata.
La metodologia proposta rappresenta un ponte concettuale tra la fisica della materia attiva e la fisica della materia condensata. Come sottolinea Hanai, lo studio fornisce non solo un nuovo strumento per controllare i materiali quantistici con la luce, ma potrebbe essere applicato a diverse classi di sistemi complessi: dalle fasi isolanti di Mott negli elettroni fortemente correlati, alla superconduttività multi-banda, fino alla superconduttività mediata da fononi ottici.
Le implicazioni tecnologiche di questa ricerca teorica sono significative. La capacità di indurre rotazioni magnetiche persistenti e controllabili otticamente potrebbe abilitare lo sviluppo di nuovi dispositivi spintronici, dove l'informazione è codificata nello spin degli elettroni anziché nella loro carica. Inoltre, la possibilità di controllare con precisione la frequenza della luce potrebbe portare alla realizzazione di oscillatori sintonizzabili di nuova generazione, con applicazioni nell'elettronica quantistica e nelle telecomunicazioni.
Il lavoro si inserisce in un filone di ricerca emergente che studia come portare i sistemi elettronici allo stato solido fuori dall'equilibrio termodinamico in modo controllato. Mentre i fenomeni non reciproci sono stati ampiamente studiati in sistemi biologici, colloidi in mezzi otticamente attivi e materia soffice, la loro realizzazione nei materiali elettronici rappresenta una frontiera scientifica largamente inesplorata. La dimostrazione teorica che le interazioni RKKY - fondamentali nel magnetismo dei metalli - possono acquisire carattere non reciproco sotto irradiazione luminosa apre possibilità sperimentali concrete per verificare queste predizioni.
I prossimi passi della ricerca richiederanno la verifica sperimentale delle predizioni teoriche, utilizzando tecniche avanzate di spettroscopia ottica e misure magnetiche risolte nel tempo. La sfida principale consisterà nell'identificare i materiali ferromagnetici più adatti e nel sintonizzare con precisione la frequenza della radiazione per massimizzare l'effetto non reciproco. Se confermati sperimentalmente, questi risultati potrebbero inaugurare una nuova era nel controllo quantistico dei materiali e nella progettazione di dispositivi che sfruttano stati della materia inaccessibili all'equilibrio termodinamico.