Wie Quantensysteme der eingefrorenen Logik trotzen

Heißere Quantensysteme können schneller abkühlen als ihre anfänglich kühleren Gegenstücke.

Gefriert heißes Wasser schneller als kaltes Wasser? Aristoteles war vielleicht der Erste, der sich mit dieser Frage beschäftigte, die später bekannt wurde als: Mbemba-Effekt.

Dieses Phänomen bezieht sich ursprünglich auf Nichtmonotone Anfangstemperaturabhängigkeit Ab dem Zeitpunkt, als es zu gefrieren begann, wurde es jedoch in verschiedenen Systemen – einschließlich Kolloiden – beobachtet und ist auch als das mysteriöse Entspannungsphänomen bekannt geworden, das von den Anfangsbedingungen abhängt.

Bisher haben jedoch nur sehr wenige diesen Effekt in Quantensystemen untersucht.

Was ist der Mbemba-Effekt?

Der Mbemba-Effekt ist ein kontraintuitives Phänomen, bei dem heißes Wasser unter bestimmten Bedingungen schneller gefrieren kann als kaltes Wasser. Benannt nach Erasto Mbemba, einem tansanischen Studenten, der diesen Effekt in den 1960er Jahren bemerkte und später die wissenschaftliche Gemeinschaft darauf aufmerksam machte, ist das Phänomen seit Jahrhunderten Gegenstand von Neugier, wobei Hinweise auf Persönlichkeiten wie Aristoteles zurückgehen. Die genaue Ursache des Mbemba-Effekts ist unter Wissenschaftlern immer noch umstritten.

Neueste Ergebnisse

Nun hat ein Forscherteam der Universität Kyoto und der Universität für Landwirtschaft und Technologie Tokio gezeigt, dass der quantitative Mpemba-Effekt der Temperatur über einen weiten Bereich von Anfangsbedingungen hinweg erreicht werden kann.

„Der Quanten-Mbemba-Effekt trägt die Erinnerung an Anfangsbedingungen, die zu späteren Zeitpunkten zu einer anomalen thermischen Entspannung führen“, erklärt Projektleiter und Co-Autor Hisao Hayakawa vom Yukawa Institute for Theoretical Physics in Kyoto.

In einem Thermalbad sind zwei Quantenpunktsysteme verbunden, eines unter fließendem Strom, das andere im Gleichgewicht. Für jeden wurde die zeitliche Entwicklung hin zu einem stationären Zustand verfolgt. Quelle: Kyoto Yu/Hisao Hayakawa

Hayakawas Team baute zwei Systeme mit Quantenpunkten auf, die mit einem Thermalbad verbunden waren, eines, in dem Strom fließt, und das andere im Gleichgewicht. Beide wurden auf ein niedriges Temperaturgleichgewicht abgeschreckt, was es dem Team ermöglichte, die zeitliche Entwicklung hin zu einem stationären Zustand in Bezug auf die Matrix aus Dichte, Energie, Entropie und vor allem Temperatur zu verfolgen.

Untersuchung des quantitativen Mbemba-Effekts

„Als sich die beiden Versionen kreuzten, bevor sie denselben Gleichgewichtszustand erreichten – so dass der heißere Teil kälter wurde und umgekehrt in einer Identitätsumkehr – wussten wir, dass wir den quantenthermischen Mbemba-Effekt erreicht hatten“, sagt Co-Autor Satoshi Takada von TUAT. .

„Nach der Analyse Meistere die Quantengleichung„Wir haben außerdem herausgefunden, dass wir den thermischen Quanten-Mbemba-Effekt in einer Vielzahl von Parametern erfasst haben, darunter Reservoirtemperaturen und chemische Potenziale“, fügt Erstautor und Korrespondent Amit Kumar Chatterjee, ebenfalls aus Kyoto, hinzu.

„Unsere Ergebnisse ermutigen uns, die potenzielle Nutzung des quantitativen Mbemba-Effekts in zukünftigen Anwendungen über die thermische Analyse hinaus zu untersuchen“, sagt Hayakawa.

Referenz: „Quantum Mpemba Effect in Quantum Dot with Reservoirs“ von Amit Kumar Chatterjee, Satoshi Takada und Hisao Hayakawa, 22. August 2023, Briefe zur körperlichen Untersuchung.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.080402