Ефект Мпемби: чому гаряча вода замерзає швидше холодної?

Гаряча вода замерзає швидше, ніж холодна? Арістотель, можливо, був першим, хто розв’язав це питання, яке пізніше стало відомим як ефект Мпемби. Це явище спочатку стосувалося немонотонної початкової температурної залежності часу початку замерзання, але воно спостерігалося в різних системах, включаючи колоїди, і також стало відомим як таємниче явище релаксації, яке залежить від початкових умов.

Однак дуже мало хто раніше досліджував ефект у квантових системах. Тепер команда дослідників з Кіотського університету та Токійського університету сільського господарства та технологій показала, що температурний квантовий ефект Мпемби може бути реалізований у широкому діапазоні початкових умов. Їхні висновки опубліковані в журналі Physical Review Letters.

«Квантовий ефект Мпемби зберігає в собі пам’ять про початкові умови, які призводять до аномальної теплової релаксації пізніше», — пояснює керівник проєкту та співавтор Хісао Хаякава з Інституту теоретичної фізики Юкави в Кіото.

Команда Хаякави підготувала дві системи із квантовими точками, підключеними до теплової ванни: одна з поточним струмом, а інша у рівноважному стані. Обидва були загартовані до стану низькотемпературної рівноваги, що дозволило команді простежити їхню тимчасову еволюцію до стійкого стану щодо матриці щільності, енергії, ентропії і, що найважливіше, температури.

«Коли дві копії перетнулися одна з одною, перш ніж досягти однакового стану рівноваги — так що більш гаряча частина стала холоднішою і навпаки в результаті зміни ідентичності — ми знали, що досягли теплового квантового ефекту Мпемба», — каже співавтор Сатоші Такада з TUAT.

«Після аналізу квантового головного рівняння ми також виявили, що отримали тепловий квантовий ефект Мпемба в широкому діапазоні параметрів, включаючи температуру резервуарів і хімічні потенціали», — додає перший і відповідний автор Аміт Кумар Чаттерджі, також з KyotoU.

«Наші результати заохочують нас вивчити потенційне використання квантового ефекту Мпемба в майбутніх програмах, окрім термічного аналізу», — розмірковує Хаякава.