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Tunable Mpemba Effect in a Prethermal Many-Body Spin Network

Este artículo demuestra y controla experimentalmente el efecto Mpemba sintonizable en una red de espín nuclear de $^{13}$ C desordenada dentro de un diamante, mostrando cómo los perfiles de polarización espacial inducidos por defectos y la dinámica pretérmica impulsada por Floquet permiten que estados inicialmente más alejados del equilibrio sobrepasen a otros más cercanos mediante el poblamiento selectivo de distintos modos de relajación.

Autores originales: Chaitali Shah, Cooper M. Selco, Leo Joon Il Moon, Ashok Ajoy

Publicado 2026-07-27

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CC BY 4.0

Autores originales: Chaitali Shah, Cooper M. Selco, Leo Joon Il Moon, Ashok Ajoy

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina un mundo donde las reglas de "volver a la normalidad" se dan la vuelta por completo. En la física, este es el reino de la dinámica fuera del equilibrio, un campo que estudia cómo los sistemas desordenados y energéticos se asientan en un estado tranquilo y equilibrado. Usualmente, asumimos que si empiezas más cerca de la meta, llegarás primero. Pero a la naturaleza le encantan los giros inesperados. Entra en escena el efecto Mpemba, un fenómeno contraintuitivo donde un sistema que comienza más lejos del equilibrio puede, de hecho, adelantar a uno que comenzó más cerca de él. Piensa en esto como dos corredores: uno comienza a solo unos pasos de la meta pero lleva puestas botas pesadas que lo arrastran, mientras que el otro comienza a millas de distancia pero corre con una técnica perfecta. Sorprendentemente, el velocista que viene desde lejos podría cruzar la meta primero. Los científicos han visto esto en cosas como el agua congelándose, pero lo han estado buscando en el complejo y congestionado mundo de las partículas que interactúan, donde los "corredores" chocan constantemente entre sí y cambian las reglas de la carrera. Comprender esto no es solo un truco para impresionar; es clave para entender cómo controlar sistemas cuánticos, acelerar los reinicios de computadoras y mantener estables los delicados sensores cuánticos.

Ahora, sumerjámonos en un nuevo experimento donde investigadores de UC Berkeley y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley decidieron jugar esta carrera con una red de diminutos imanes atómicos dentro de un diamante. No usaron agua ni hielo; usaron una red de espín nuclear de 13C —una vasta y desordenada multitud de átomos de carbono-13 que actúan como diminutos trompos, todos jostlando juntos dentro de un cristal de diamante. El equipo descubrió que podían hacer que estos trompos atómicos se comportaran como los corredores de Mpemba, e incluso podían ajustar exactamente cuándo el corredor "lento" adelantaría al "rápido".

Así es como prepararon el escenario. Dentro del diamante, hay dos tipos de "problemáticos": centros de Nitrógeno-Vacante (NV) y centros P1. Estos son defectos en el cristal que actúan como imanes, creando un paisaje caótico. Algunos puntos en el diamante están repletos de estos defectos, lo que los convierte en "zonas calientes" donde los átomos que giran (relajan su energía) pierden su energía muy rápidamente. Otros puntos están lejos de los defectos, actuando como "zonas seguras" donde los átomos pueden girar durante mucho tiempo sin cansarse.

Los investigadores utilizaron un ingenioso juego de preparación de dos pasos para configurar a sus corredores. Primero, usaron luz para "hiperpolarizar" los átomos cerca de los defectos, dándoles una enorme ráfaga de energía. Esto es como cargar al corredor cerca de la meta con botas pesadas y arrastrables (mucha energía, pero en un mal lugar). Luego, tenían dos opciones:

El juego de "Esperar": Podían dejar que el sistema se sentara por un tiempo. Durante esta espera, los átomos cerca de los defectos perderían su energía (relajación) rápidamente, mientras que los átomos en las zonas seguras mantendrían su energía. Esto efectivamente movió la "energía" lejos de los problemáticos y hacia las zonas seguras.
El juego de "No Esperar": Podían saltarse la espera y comenzar la carrera inmediatamente. En este caso, la energía se quedaría concentrada cerca de los defectos, donde está destinada a desaparecer rápidamente.

El experimento consistió en trasladar el diamante a un campo magnético alto y observar cómo los átomos se relajaban usando una técnica especial de "conducción de Floquet" (una secuencia de pulsos rítmicos) que mantenía el sistema en un régimen pretérmico. Este es un estado especial donde el sistema permanece "caliente" y activo durante mucho tiempo antes de finalmente enfriarse hasta el equilibrio total.

Los resultados fueron una victoria clara para el efecto Mpemba. Cuando compararon un estado preparado con un largo tiempo de "hiperpolarización" pero sin "espera" (mucha energía atrapada cerca de los defectos de relajación rápida) contra un estado preparado con un tiempo de "espera" largo (menos energía total, pero resguardada de forma segura en las zonas de relajación lenta), algo asombroso sucedió. El estado con más energía comenzó lejos del equilibrio, pero debido a que estaba atrapado en las "zonas calientes", perdió su energía rápidamente. El estado con menos energía comenzó más cerca del equilibrio, pero debido a que se escondía en las "zonas seguras", mantuvo su energía por mucho más tiempo.

¡El corredor "más lejano" adelantó al corredor "más cercano"! Los investigadores observaron estos cruces de Mpemba ocurriendo de manera reproducible. Aún más genial, pudieron ajustar el momento exacto en que ocurría este cruce. Al ajustar los tiempos de preparación, pudieron desplazar el punto de cruce desde unos pocos segundos hacia la larga y estable meseta pretérmica, ajustando el tiempo a lo largo de varios órdenes de magnitud.

Para entender por qué sucedió esto, el equipo realizó simulaciones semiclásicas. Encontraron que el sistema tiene "modos" o patrones específicos de relajación. Existe un "modo más lento" que vive en las regiones pobres en defectos. Si tu estado inicial (tu corredor) tiene mucha superposición con este modo lento, durará mucho tiempo. Si tu estado inicial está mayormente en las regiones ricas en defectos, desaparecerá rápidamente, independientemente de cuánta energía total haya tenido al principio. Si tu estado inicial tiene mucha superposición con este modo lento y seguro, durará mucho tiempo. Si tu estado inicial está mayormente en las regiones ricas en defectos, desaparecerá rápidamente, independientemente de cuánta energía total haya tenido al principio. El artículo muestra que el tiempo de cruce está determinado por cuánta superposición tiene tu estado inicial con este modo lento y seguro.

Los autores confirman que esto no es solo un error de cómo midieron los datos. Verificaron sus resultados utilizando una métrica matemática rigurosa llamada divergencia de Kullback–Leibler (KL), y los cruces ocurrieron al mismo tiempo, demostrando que el efecto es real y no un artefacto de su método de medición.

En resumen, este artículo demuestra que en una red de espines interactuantes y desordenada, el desorden es un recurso. Al comprender dónde están las "zonas seguras" y las "zonas de peligro", y al preparar cuidadosamente el estado inicial, los científicos pueden controlar qué tan rápido se relaja un sistema. Demostraron que puedes diseñar una situación en la que un sistema que parece estar perdiendo la carrera en realidad la gana, y pueden dialar la hora de esa victoria hacia arriba o hacia abajo a voluntad. Este trabajo marca la primera observación del efecto Mpemba en una red de espines de muchos cuerpos extendida y la primera demostración experimental de estas dinámicas en un estado pretérmico, ofreciendo un nuevo conjunto de herramientas para controlar la relajación en materiales cuánticos complejos.

Resumen Técnico: Efecto Mpemba Sintonizable en una Red de Espines de Muchos Cuerpos Pretérmica

Planteamiento del Problema
La relajación de sistemas interactuantes de muchos cuerpos se considera tradicionalmente como una función de la distancia del estado inicial respecto al equilibrio. Sin embargo, marcos teóricos recientes sugieren que la dinámica de relajación está igualmente determinada por cómo el estado inicial se solapa con modos dinámicos específicos que conducen al sistema hacia el equilibrio. Aunque el efecto Mpemba —un fenómeno donde un estado inicialmente más alejado del equilibrio se relaja más rápido que uno inicialmente más cercano— ha sido observado en sistemas clásicos y sistemas cuánticos aislados (por ejemplo, iones atrapados y procesadores superconductores), aún no se ha demostrado experimentalmente en una red extendida e interactuante de muchos cuerpos. Además, la dinámica de este efecto dentro de un régimen pretérmico (un estado metaestable de larga vida estabilizado por un accionamiento periódico) permanece inexplorada.

Metodología
Los autores investigan experimentalmente estas dinámicas utilizando una red de espines nucleares de $^{13}$ C desordenada, embebida en un cristal de diamante de nitrógeno dopado. El sistema cuenta con:

Red Interactuante: Núcleos de $^{13}$ C (abundancia natural del 1.1%) acoplados mediante interacciones dipolares ( $H_{nn}$ ).
Desorden y Sumideros de Relajación: Defectos paramagnéticos (centros NV y centros P1) posicionados aleatoriamente crean un paisaje heterogéneo. Los núcleos cercanos a estos defectos experimentan una relajación rápida mediante interacciones hiperfinas, mientras que los núcleos en regiones pobres en defectos se relajan lentamente.
Protocolo de Preparación de Estado: El equipo utiliza un protocolo de ciclado de campo en dos etapas a bajo campo magnético (36 mT):
1. Hiperpolarización ( $t_h$ ): Centros NV con bombeo óptico inyectan polarización en los núcleos de $^{13}$ C cercanos.
2. Duración de Espera ( $t_w$ ): El sistema evoluciona libremente, permitiendo que la difusión de espines dipolares redistribuya la polarización mientras los espines electrónicos fluctuantes deponen selectivamente la polarización cerca de los defectos.
Lectura y Accionamiento: La muestra es trasladada a un campo alto (7.3 T) donde se aplica una secuencia de pulsos de Floquet. Esta secuencia estabiliza un régimen pretérmico de larga vida, permitiendo el seguimiento cuasi-continuo de la magnetización nuclear durante varios minutos mediante RMN de alta velocidad.

Contribuciones Clave y Resultados

Observación de Cruces de Mpemba: Los autores demuestran cruces de Mpemba reproducibles donde un estado preparado con un tiempo de hiperpolarización más corto pero sin tiempo de espera ( $t_h=60$ s, $t_w=0$ s) —el cual comienza con una polarización total mayor y, por lo tanto, está más lejos del equilibrio— se relaja más rápido que un estado preparado con tiempos más largos ( $t_h=150$ s, $t_w=150$ s). Las trayectorias se cruzan en $t_\times \approx 8$ s.
Sintonizabilidad del Tiempo de Cruce: Al variar independientemente $t_h$ y $t_w$ , los autores controlan la polarización total y su distribución espacial respecto a los defectos. Esto permite sintonizar el tiempo de cruce de Mpemba en varios órdenes de magnitud, desplazando la intersección desde el régimen de termalización de tiempo tardío hacia la meseta pretérmica.
Origen Selectivo de Modos: Simulaciones semiclásicas revelan que el efecto surge del solapamiento entre el estado inicial y el modo de relajación colectiva más lento ( $v_0$ $v_{0}$ ).
- El modo más lento está localizado en regiones pobres en defectos de la red de espines.
- Los estados con una polarización significativa cerca de los defectos paramagnéticos (regiones de relajación rápida) tienen un bajo solapamiento con $v_0$ y decaen rápidamente.
- Los estados donde la polarización se ha difundido hacia las regiones pobres en defectos (logrado mediante un $t_w$ más largo) tienen un alto solapamiento con $v_0$ , lo que conduce a un decaimiento más lento a pesar de comenzar más cerca del equilibrio.
Dinámica Pretérmica: El estudio confirma que la física de Mpemba puede controlarse dentro de un estado pretérmico accionado. El accionamiento de Floquet diseña la estructura de los modos de relajación, mientras que la preparación del estado controla la población de estos modos, permitiendo que los cruces persistan incluso después de que el sistema haya entrado en la meseta pretérmica.
Validación vía Divergencia KL: Los autores verifican que los cruces observados no son artefactos del uso de la polarización total como métrica. Los cruces persisten cuando la distancia al equilibrio se cuantifica utilizando la divergencia de Kullback-Leibler (KL).

Significancia
El artículo afirma proporcionar la primera observación experimental del efecto Mpemba en una red de espines de muchos cuerpos extendida y la primera demostración de la dinámica de Mpemba en un estado pretérmico.

El trabajo establece que el desorden, el transporte y la preparación de estados selectivos de modo son recursos críticos para controlar la relajación en redes de espines extendidas. Demuestra que el desorden espacial nativo puede reordenar las trayectorias de relajación, y que el efecto Mpemba es un mecanismo general que surge de la interacción entre paisajes de relajación heterogéneos y la distribución espacial inicial del estado. Estos hallazgos ofrecen reglas de diseño concretas para adaptar la dinámica de relajación en materiales magnéticos desordenados, redes de espines moleculares y conjuntos de espines semiconductores relevantes para la detección cuántica y la hiperpolarización.

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