Phoebe Newman 
Naukowcy zbadali efekt Mpemby w układach kwantowych – zjawisko, w wyniku którego gorąca woda może zamarzać szybciej niż zimna woda. Ten kwantowy efekt Mpemby zachowuje pamięć swoich warunków początkowych, co wpływa później na jego relaksację termiczną. Zespół wykorzystał dwa systemy kropek kwantowych i wykrył kwantowy efekt termiczny Mpemby w różnych warunkach, wskazując potencjalne szersze zastosowania wykraczające poza analizę termiczną.
Cieplejsze układy kwantowe mogą ochładzać się szybciej niż ich początkowo chłodniejsze odpowiedniki.
Czy gorąca woda zamarza szybciej niż zimna? Być może Arystoteles jako pierwszy zajął się tym pytaniem, które później stało się znane jako Efekt Mpemby.
Zjawisko to pierwotnie odnosi się do Niemonotoniczna zależność od temperatury początkowej od momentu rozpoczęcia krzepnięcia, ale zaobserwowano je w różnych układach – w tym w koloidach – i stało się również znane jako tajemnicze zjawisko relaksacji zależne od warunków początkowych.
Jednak bardzo niewielu badało wcześniej ten efekt w układach kwantowych.
Na czym polega efekt Mpemby?
Efekt Mpemby to sprzeczne z intuicją zjawisko polegające na tym, że w pewnych warunkach gorąca woda może zamarznąć szybciej niż zimna woda. Zjawisko to, nazwane na cześć Erasto Mpemby, studenta z Tanzanii, który zauważył ten efekt w latach 60. XX wieku, a później zwrócił na niego uwagę społeczności naukowej, jest przedmiotem ciekawości od stuleci, a odniesienia do niego sięgają m.in. Arystotelesa. Dokładna przyczyna efektu Mpemby jest nadal przedmiotem dyskusji wśród uczonych.
najnowsze wyniki
Teraz zespół naukowców z Uniwersytetu w Kioto i Uniwersytetu Rolnictwa i Technologii w Tokio wykazał, że kwantowy efekt temperatury Mpemby można osiągnąć w szerokim zakresie warunków początkowych.
„Kwantowy efekt Mpemby zapamiętuje warunki początkowe prowadzące do anomalnej relaksacji termicznej w późniejszym czasie” – wyjaśnia kierownik projektu i współautor Hisao Hayakawa z Instytutu Fizyki Teoretycznej Yukawa w Kioto.
Dwa układy kropek kwantowych połączone w łaźni termicznej, jeden w którym płynie prąd, a drugi w równowadze. Dla każdego z nich śledzono czasową ewolucję w kierunku stanu ustalonego. Źródło: Kioto Yu / Hisao Hayakawa
Zespół Hayakawy stworzył dwa systemy kropek kwantowych połączone z łaźnią termalną: jeden, w którym przepływał prąd, a drugi znajdujący się w równowadze. Obydwa zostały schłodzone do hipotermicznego stanu równowagi, co umożliwiło zespołowi śledzenie ewolucji czasu w kierunku stanu ustalonego w odniesieniu do macierzy gęstości, energii, entropii i, co najważniejsze, temperatury.
Osiągnięcie ilościowego efektu Mpemby
„Kiedy obie wersje przecięły się, zanim osiągnęły ten sam stan równowagi — tak że cieplejsza część stała się chłodniejsza i odwrotnie w wyniku odwrócenia tożsamości — wiedzieliśmy, że osiągnęliśmy termiczny kwantowy efekt Mpemby” – mówi współautor Satoshi Takada z TUAT. .
Po przeanalizowaniu Główne równanie kwantowe„Odkryliśmy również, że uzyskaliśmy kwantowo-termiczny efekt Mpemby w szerokim zakresie parametrów, w tym temperatur zbiorników i potencjałów chemicznych” – dodaje pierwszy autor i reporter Amit Kumar Chatterjee, również z Kioto.
„Nasze wyniki zachęcają nas do zbadania potencjalnego wykorzystania kwantowego efektu Mpemby w przyszłych zastosowaniach wykraczających poza analizy termiczne” – mówi Hayakawa.
Odniesienie: „Quantum Dot Mpemba Effect with Reservoirs” autorstwa Amita Kumara Chatterjee, Satoshi Takady i Hisao Hayakawy, 22 sierpnia 2023 r., dostępne tutaj. Listy z przeglądu fizycznego.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.080402
