Tunable Mpemba Effect in a Prethermal Many-Body Spin Network

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der die Regeln des „Zurückkehrens zur Normalität“ auf den Kopf gestellt werden. In der Physik ist dies das Reich der Nichtgleichgewichtsdynamik, ein Feld, das untersucht, wie sich chaotische, energiereiche Systeme in einen ruhigen, ausgewogenen Zustand einpendeln. Normalerweise gehen wir davon aus, dass man zuerst am Ziel ist, wenn man näher an der Ziellinie startet. Aber die Natur liebt Wendungen in der Handlung. Erleben Sie den Mpemba-Effekt, ein kontraintuitives Phänomen, bei dem ein System, das weiter vom Gleichgewicht entfernt startet, tatsächlich an einem System vorbeiziehen kann, das näher am Gleichgewicht begann. Stellen Sie es sich wie zwei Läufer vor: Einer startet nur wenige Schritte vor der Ziellinie, trägt aber schwere, schleppende Stiefel, während der andere meilenweit entfernt startet, aber mit perfekter Form sprintet. Überraschenderweise könnte der Sprinter aus der Ferne zuerst die Ziellinie überqueren. Wissenschaftler haben dies bei Dingen wie gefrierendem Wasser beobachtet, aber sie haben danach in der komplexen, dicht gedrängten Welt interagierender Teilchen gesucht, in der die „Läufer“ ständig zusammenstoßen und die Regeln des Rennens ändern. Das Verständnis dessen ist nicht nur ein Partytrick; es ist der Schlüssel dazu, Quantensysteme zu steuern, Computer-Resets zu beschleunigen und empfindliche Quantensensoren stabil zu halten.

Tauchen wir nun in ein neues Experiment ein, bei dem Forscher am UC Berkeley und am Lawrence Berkeley National Laboratory beschlossen, dieses Rennen mit einem Netzwerk winziger atomarer Magnete in einem Diamanten zu spielen. Sie verwendeten kein Wasser oder Eis; sie verwendeten ein 13C-Kernspin-Netzwerk – eine riesige, ungeordnete Menge von Kohlenstoff-13-Atomen, die wie winzige Kreisel wirken und alle innerhalb eines Diamantkristalls wild durcheinanderwirbeln. Dem Team gelang es, diese atomaren Kreisel so zu manipulieren, dass sie sich wie die Mpemba-Läufer verhalten, und sie konnten sogar genau steuern, wann der „langsame“ Läufer den „schnellen“ überholen würde.

So bereiteten sie die Bühne vor. Im Inneren des Diamanten gibt es zwei Arten von „Unruhestiftern“: Stickstoff-Fehlstellen (Nitrogen-Vacancy, NV-Zentren) und P1-Zentren. Dies sind Defekte im Kristall, die wie Magnete wirken und eine chaotische Landschaft erzeugen. Einige Stellen im Diamanten sind dicht mit diesen Defekten gepackt, was sie zu „Hot Zones“ macht, in denen die rotierenden Atome sehr schnell relaxieren (Energie verlieren). Andere Stellen sind weit entfernt von den Defekten und fungieren als „Safe Zones“, in denen die Atome lange Zeit rotieren können, ohne müde zu werden.

Die Forscher nutzten ein geschicktes Zwei-Schritte-Vorbereitungsspiel, um ihre Läufer aufzustellen. Zuer {%s} erstens verwendeten sie Licht, um die Atome nahe der Defekte zu „hyperpolarisieren“, was ihnen einen gewaltigen Energieschub gab. Dies ist vergleichbar damit, den Läufer nahe der Ziellinie mit schweren, schleppenden Stiefeln zu beladen (viel Energie, aber an einem schlechten Ort). Dann hatten sie zwei Möglichkeiten:

1. Das „Warte“-Spiel: Sie konnten das System eine Zeit lang ruhen lassen. Während dieses Wartens würden die Atome nahe der Defekte schnell ihre Energie verlieren (relaxieren), während die Atome in den Safe Zones ihre Energie behalten würden. Dies bewegte die „Energie“ effektiv weg von den Unruhestiftern und hinein in die Safe Zones.
2. Das „Kein Warten“-Spiel: Sie konnten das Warten überspringen und sofort mit dem Rennen beginnen. In diesem Fall bliebe die Energie konzentriert in der Nähe der Defekte, wo sie dazu bestimmt war, schnell zu verschwinden.

Das Experiment beinhaltete das Transportieren des Diamanten in ein hohes Magnetfeld und das Beobachten, wie die Atome unter Verwendung einer speziellen „Floquet-Driving“-Technik (einer rhythmischen Pulssequenz) relaxierten, die das System in ein Präthermal-Regime hielt. Dies ist ein spezieller Zustand, in dem das System lange Zeit „warm“ und aktiv bleibt, bevor es schließlich zum totalen Gleichgewicht abkühlt.

Die Ergebnisse waren ein klarer Sieg für den Mpemba-Effekt. Wenn sie einen Zustand verglichen, der mit einer langen „Hyperpolarisationszeit“, aber ohne „Warten“ vorbereitet wurde (viel Energie steckt nahe der schnell relaxierenden Defekte), mit einem Zustand, der mit einer langen „Wartezeit“ vorbereitet wurde (weniger Gesamtenergie, aber sicher in den langsam relaxierenden Zonen verstaut), geschah etwas Erstaunliches. Der Zustand mit mehr Energie startete weit entfernt vom Gleichgewicht, aber weil er in den „Hot Zones“ feststeckte, verlor er seine Energie rasant. Der Zustand mit weniger Energie startete näher am Gleichgewicht, aber weil er sich in den „Safe Zones“ versteckte, hielt er seine Energie viel länger.

Der „fernere“ Läufer überholte den „näheren“ Läufer! Die Forscher beobachteten diese Mpemba-Überkreuzungen reproduzierbar. Noch cooler war, dass sie den genauen Zeitpunkt dieses Crossovers abstimmen konnten. Durch Anpassung der Vorbereitungszeiten konnten sie den Kreuzungspunkt von wenigen Sekunden bis hin zum langen, stabilen Präthermal-Plateau verschieben und die Zeit über mehrere Größenordnungen hinweg tunen.

Um zu verstehen, warum dies geschah, führten die Teams semiklassische Simulationen durch. Sie fanden heraus, dass das System über spezifische „Modi“ oder Relaxationsmuster verfügt. Es gibt einen „langsamsten Modus“, der in den defektarmen Regionen des Diamanten lebt. Wenn Ihr Ausgangszustand (Ihr Läufer) eine große Überlappung mit diesem langsamen Modus hat, wird er lange anhalten. Wenn Ihr Ausgangszustand hauptsächlich in den defektreichen Regionen liegt, wird er schnell verschwinden, unabhängig davon, wie viel Gesamtenergie er zu Beginn hatte. Wenn Ihr Ausgangszustand viel Überlappung mit diesem langsamen, sicheren Modus hat, wird er lange anhalten. Wenn Ihr Ausgangszustand hauptsächlich in den defektreichen Regionen liegt, wird er schnell verschwinden, unabhängig davon, wie viel Gesamtenergie er zu Beginn hatte. Die Arbeit zeigt, dass die Kreuzungszeit davon bestimmt wird, wie stark Ihr Ausgangszustand mit diesem langsamen, sicheren Modus überlappt.

Die Autoren bestätigen, dass dies nicht nur ein Zufallsprodukt ihrer Messmethode ist. Sie überprüften ihre Ergebnisse mit einer strengen mathematischen Metrik namens Kullback–Leibler-Divergenz (KL-Divergenz), und die Überkreuzungen fanden zur gleichen Zeit statt, was bewies, dass der Effekt real ist und kein Artefakt ihrer Messmethode.

Kurz gesagt demonstriert diese Arbeit, dass in einem ungeordneten, interagierenden Spin-Netzwerk Unordnung eine Ressource ist. Indem man versteht, wo sich die „Safe Zones“ und „Danger Zones“ befinden und indem man den Anfangszustand sorgfältig vorbereitet, können Wissenschaftler kontrollieren, wie schnell ein System relaxiert. Sie zeigten, dass man eine Situation konstruieren kann, in der ein System, das so aussieht, als würde es das Rennen verlieren, es tatsächlich gewinnt, und man kann diesen Siegesszeitpunkt nach Belieben regulieren. Diese Arbeit markiert die erste Beobachtung des Mpemba-Effekts in einem ausgedehnten Vielteilchen-Spin-Netzwerk und die erste experimentelle Demonstration dieser Dynamik in einem Präthermal-Zustand, was einen neuen Werkzeugkasten zur Kontrolle der Relaxation in komplexen Quantenmaterialien bietet.