Tunable Mpemba Effect in a Prethermal Many-Body Spin Network

تخيل عالماً تنقلب فيه قواعد "العودة إلى الطبيعة" رأساً على عقب. في الفيزياء، هذا هو مجال الديناميكا غير المتوازنة، وهو مجال يدرس كيف تستقر الأنظمة الفوضوية والنشطة لتصل إلى حالة هادئة ومتوازنة. عادةً، نفترض أننا إذا بدأنا بالقرب من خط النهاية، فسنصل أولاً. لكن الطبيعة تعشق الحبكات المفاجئة. هنا يبرز تأثير إمبيمبا (Mpemba effect)، وهي ظاهرة غير بديهية حيث يمكن لنظام يبدأ بعيداً عن حالة التوازن أن يتسابق فعلياً ليتجاوز نظاماً بدأ قريباً منها. فكر في الأمر كعدّاءين: أحدهما يبدأ على بعد خطوات قليلة من خط النهاية لكنه يرتدي أحذية ثقيلة تجره للخلف، بينما الآخر يبدأ على بعد أميال لكنه يركض ببراعة وتناسق تام. ومن المثير للدهشة أن العدّاء المنطلق من مسافة بعيدة قد يعبر خط النهاية أولاً. لقد شاهد العلماء هذا في أشياء مثل تجمد الماء، لكنهم كانوا يبحثون عنه في العالم المعقد والمزدحم من الجسيمات المتفاعلة، حيث "العدّاءون" يصطدمون ببعضهم البعض باستمرار ويغيرون قواعد السباق. إن فهم هذا ليس مجرد خدعة استعراضية؛ بل هو مفتاح لفهم كيفية التحكم في الأنظمة الكمومية، وتسريع عمليات إعادة ضبط الحواسيب، والحفاظ على استقرار المستشعرات الكمومية الدقيقة.

والآن، دعونا نغوص في تجربة جديدة قرر فيها باحثون من جامعة كاليفورنيا في بيركلي ومختبر لورانس بيركلي الوطني خوض هذا السباق باستخدام شبكة من المغناطيسات الذرية الصغيرة داخل الألماس. لم يستخدموا الماء أو الجليد؛ بل استخدموا شبكة دوران نووي للكربون-13 (13C nuclear-spin network) — وهي حشد هائل وغير منظم من ذرات الكربون-13 تعمل مثل دوامات صغيرة تدور، وتتصادم جميعها مع بعضها البعض داخل بلورة ألماس. اكتشف الفريق أنه يمكنهم جعل هذه الدوامات الذرية تتصرف مثل عدّائي إمبيمبا، بل ويمكنهم أيضاً ضبط التوقيت بدقة ليتجاوز فيه "العدّاء البطيء" "العدّاء السريع".

إليكم كيف هيأوا المسرح. داخل الألماس، يوجد نوعان من "مثيري المشاكل": مراكز النيتروجين-الفراغ (NV) ومراكز P1. هذه هي العيوب في البلورة التي تعمل كمغناطيسات، مما يخلق مشهداً فوضوياً. بعض البقع في الألماس تكون مزدحمة بهذه العيوب، مما يجعلها "مناطق ساخنة" حيث تسترخي الذرات (تفقد طاقتها) بسرعة كبيرة. أما البقع الأخرى فهي بعيدة عن العيوب، وتعمل كـ "مناطق آمنة" حيث يمكن للذرات أن تستمر في الدوران لفترة طويلة دون أن تتعب.

استخدم الباحثون لعبة ذكية من خطوتين للتحضير لإعداد عدّائيهم. أولاً، استخدموا الضوء لعمل "فرط استقطاب" (hyperpolarize) للذرات بالقرب من العيوب، مما منحها دفعة هائلة من الطاقة. هذا يشبه تحميل العدّاء القريب من خط النهاية بأحذية ثقيلة تجره (طاقة كبيرة، ولكن في مكان سيء). ثم كان لديهم خياران:

1. لعبة "الانتظار": كان بإمكانهم ترك النظام لبعض الوقت. خلال فترة الانتظار هذه، ستفقد الذرات القريبة من العيوب طاقتها بسرعة (تسترخي)، بينما ستحتفظ الذرات في المناطق الآمنة بطاقتها. هذا أدى فعلياً إلى نقل "الطاقة" بعيداً عن مثيري المشاكل وإدخالها في المناطق الآمنة.
2. لعبة "لا انتظار": كان بإمكانهم تخطي وقت الانتظار وبدء السباق فوراً. في هذه الحالة، بقيت الطاقة مركزة بالقرب من العيوب، حيث كان مقدراً لها أن تتلاشى بسرعة.

تضمنت التجربة نقل الألماس إلى مجال مغناطيسي عالٍ ومراقبة كيفية استرخاء الذرات باستخدام تقنية "قيادة فلوكيت" (Floquet driving) خاصة (وهي تسلسل نبضي إيقاعي) أبقت النظام في نظام ما قبل الحرارة (prethermal regime). وهذه حالة خاصة حيث يظل النظام "دافئاً" ونشطاً لفترة طويلة قبل أن يبرد أخيراً ليصل إلى التوازن التام.

كانت النتائج انتصاراً واضحاً لتأثير إمبيمبا. فعندما قارنوا بين حالة تم تحضيرها بوقت "فرط استقطاب" طويل ولكن بدون "انتظار" (طاقة كثيرة عالقة بالقرب من العيوب سريعة الاسترخاء) وبين حالة تم تحضيرها بوقت "انتظار" طويل (طاقة أقل، ولكنها مخبأة بأمان في المناطق البطيئة الاسترخاء)، حدث شيء مذهل. الحالة التي امتلكت مزيداً من الطاقة بدأت بعيدة عن التوازن، ولكن لأنها كانت عالقة في "المناطق الساخنة"، فقد فقدت طاقتها بسرعة. أما الحالة التي امتلكت طاقة أقل فقد بدأت قريبة من التوازن، ولكن لأنها كانت مختبئة في "المناطق الآمنة"، فقد حافظت على طاقتها لفترة أطول بكثير.

لقد تجاوز "العدّاء الأبعد" "العدّاء الأقرب"! لاحظ الباحثون حدوث تقاطعات إمبيمبا (Mpemba crossings) هذه بشكل متكرر. والأروع من ذلك، كان بإمكانهم ضبط اللحظة الدقيقة التي يحدث فيها هذا التقاطع. فمن خلال تعديل أوقات التحضير، استطاعوا إزاحة نقطة التقاطع من بضع ثوانٍ إلى داخل "هضبة ما قبل الحرارة" المستقرة والطويلة، وضبط وقت التقاطع عبر عدة مراتب عشرية.

لفهم سبب حدوث ذلك، أجرى الفريق محاكاة شبه كلاسيكية (semiclassical simulations). ووجدوا أن النظام يحتوي على "أنماط" أو نماذج محددة للاسترخاء. هناك "النمط الأبطأ" الذي يعيش في المناطق الفقيرة بالعيوب. إذا كان وضعك الأولي (عدّاؤك) يمتلك الكثير من التداخل مع هذا النمط البطيء، فسيستمر لفترة طويلة. أما إذا كان وضعك الأولي موجوداً في الغالب في المناطق الغنية بالعيوب، فسينتهي بسرعة بغض النظر عن مقدار إجمالي الطاقة التي بدأت بها. يوضح البحث أن وقت التقاطع يتحدد بمدى تداخل حالتك الأولية مع هذا النمط البطيء والآمن.

يؤكد المؤلفون أن هذا ليس مجرد صدفة في كيفية قياس بياناتهم. لقد تحققوا من نتائجهم باستخدام مقيما رياضي صارم يسمى تباعد كولباك - ليبلر (Kullback–Leibler divergence)، وحدثت التقاطعات في نفس الوقت، مما أثبت أن التأثير حقيقي وليس نتاجاً لطريقة القياس المستخدمة.

باختم القول، يوضح هذا البحث أنه في شبكة دوران مضطربة ومتفاعلة، فإن الاضطراب هو مورد. فمن خلال فهم أين تقع "المناطق الآمنة" و"مناطق الخطر"، ومن خلال التحضير الدقيق للحالة الأولية، يمكن للعلماء التحكم في سرعة استرخاء النظام. لقد أظهروا أنه يمكنك هندسة موقف يبدو فيه النظام وكأنه يخسر السباق، لكنه يفوز به في النهاية، ويمكنك ضبط وقت هذا الانتصار صعوداً وهبوطاً حسب الرغبة. يمثل هذا العمل أول ملاحظة لتأثير إمبيمبا في شبكة دوران ممتدة ومتعددة الأجسام، وأول عرض تجريبي لهذه الديناميكيات في حالة ما قبل الحرارة، مما يوفر مجموعة أدوات جديدة للتحكم في الاسترخاء في المواد الكمومية المعقدة.