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Tunable Mpemba Effect in a Prethermal Many-Body Spin Network

Cet article démontre et contrôle expérimentalement l'effet Mpemba ajustable au sein d'un réseau de spins nucléaires $^{13}$ C désordonné dans le diamant, montrant comment les profils de polarisation spatiale induits par les défauts et la dynamique préthermique pilotée par Floquet permettent à des états initialement plus éloignés de l'équilibre de dépasser ceux plus proches en peuplant sélectivement des modes de relaxation distincts.

Auteurs originaux : Chaitali Shah, Cooper M. Selco, Leo Joon Il Moon, Ashok Ajoy

Publié 2026-07-27

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Chaitali Shah, Cooper M. Selco, Leo Joon Il Moon, Ashok Ajoy

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Imaginez un monde où les règles du « retour à la normale » sont totalement inversées. En physique, il s'agit du domaine de la dynamique hors équilibre, un domaine qui étudie comment des systèmes désordonnés et énergétiques se stabilisent pour atteindre un état calme et équilibré. Habituellement, nous supposons que si l'on part plus près de la ligne d'arrivée, on l'atteindra en premier. Mais la nature adore les rebondissements. Voici l'effet Mpemba, un phénomène contre-intuitif où un système qui part plus loin de l'équilibre peut en réalité dépasser un autre qui est parti plus près de celui-ci. Imaginez deux coureurs : l'un commence à seulement quelques pas de la ligne d'arrivée mais porte des bottes lourdes et traînantes, tandis que l'autre commence à des kilomètres de là mais sprinte avec une forme parfaite. Étonnamment, le sprinteur parti de loin pourrait franchir la ligne d'arrivée en premier. Les scientifiques ont observé cela dans des choses comme l'eau qui gèle, mais ils le cherchaient dans le monde complexe et encombré des particules en interaction, où les « coureurs » se cognent constamment les uns aux autres et changent les règles de la course. Comprendre cela n'est pas seulement un tour de passe-passe ; c'est essentiel pour comprendre comment contrôler les systèmes quantiques, accélérer les réinitialisations informatiques et maintenir la stabilité des capteurs quantiques délicats.

Plongeons maintenant dans une nouvelle expérience où des chercheurs de l'UC Berkeley et du Lawrence Berkeley National Laboratory ont décidé de jouer à cette course avec un réseau de minuscules aimants atomiques à l'intérieur d'un diamant. Ils n'ont pas utilisé d'eau ou de glace ; ils ont utilisé un réseau de spins nucléaires du 13C — une vaste foule désordonnée d'atomes de carbone-13 agissant comme de minuscules toupies, s'entrechoquant toutes ensemble à l'intérieur d'un cristal de diamant. L'équipe a découvert qu'elle pouvait faire se comporter ces toupies atomiques comme les coureurs de l'effet Mpemba, et qu'elle pouvait même régler précisément quand le coureur « lent » dépasserait le coureur « rapide ».

Voici comment ils ont préparé le terrain. À l'intérieur du diamant, il existe deux types de « fauteurs de troubles » : les centres Azote-Lacune (NV) et les centres P1. Ce sont des défauts dans le cristal qui agissent comme des aimants, créant un paysage chaotique. Certains endroits du diamant sont saturés de ces défauts, ce qui en fait des « zones chaudes » où les atomes en rotation se relaxent (perdent leur énergie) très rapidement. D'autres endroits sont éloignés des défauts, agissant comme des « zones sûres » où les atomes peuvent tourner pendant longtemps sans se fatiguer.

Les chercheurs ont utilisé un jeu de préparation astucieux en deux étapes pour préparer leurs coureurs. D'abord, ils ont utilisé la lumière pour « hyperpolariser » les atomes près des défauts, leur donnant une énorme bouffée d'énergie. C'est comme charger le coureur près de la ligne d'arrivée avec des bottes lourdes et traînantes (beaucoup d'énergie, mais dans un mauvais endroit). Ensuite, ils avaient deux choix :

Le jeu de l'« Attente » : Ils pouvaient laisser le système reposer pendant un certain temps. Pendant cette attente, les atomes près des défauts perdraient rapidement leur énergie (se relaxeraient), tandis que les atomes dans les zones sûres conserveraient leur énergie. Cela déplaçait efficacement l'« énergie » loin des fauteurs de troubles et vers les zones sûres.
Le jeu du « Sans Attente » : Ils pouvaient sauter l'attente et commencer immédiatement la course. Dans ce cas, l'énergie restait concentrée près des défauts, là où elle était destinée à disparaître rapidement.

L'expérience consistait à déplacer le diamant vers un champ magnétique élevé et à observer comment les atomes se relaxaient en utilisant une technique spéciale de « pilotage de Floquet » (une séquence d'impulsions rythmiques) qui maintenait le système dans un régime préthermique. Il s'agit d'un état spécial où le système reste « chaud » et actif pendant longtemps avant de finalement se refroidir vers un équilibre total.

Les résultats ont été une victoire claire pour l'effet Mpemba. Lorsqu'ils ont comparé un état préparé avec un long temps de « hyperpolarisation » mais sans « attente » (beaucoup d'énergie coincée près des défauts à relaxation rapide) contre un état préparé avec un long temps d'« attente » (moins d'énergie totale, mais sagement rangée dans les zones de relaxation lente), quelque chose d'incroyable s'est produit. L'état avec plus d'énergie est parti loin de l'équilibre, mais parce qu'il était coincé dans les « zones chaudes », il a perdu son énergie rapidement. L'état avec moins d'énergie est parti plus près de l'équilibre, mais parce qu'il se cachait dans les « zones sûres », il a conservé son énergie beaucoup plus longtemps.

Le coureur « plus éloigné » a dépassé le coureur « plus proche » ! Les chercheurs ont observé ces croisements Mpemba se produire de manière reproductible. Plus cool encore, ils pouvaient régler le moment exact où ce croisement se produisait. En ajustant les temps de préparation, ils pouvaient déplacer le point de croisement de quelques secondes au sein du long plateau préthermique stable, réglant le temps de victoire sur plusieurs ordres de grandeur.

Pour comprendre pourquoi cela s'est produit, l'équipe a effectué des simulations semi-classiques. Ils ont découvert que le système possède des « modes » ou des motifs spécifiques de relaxation. Il existe un « mode le plus lent » qui réside dans les régions pauvres en défauts du diamant. Si votre état initial (votre coureur) possède beaucoup de chevauchement avec ce mode lent, il durera longtemps. Si votre état initial est principalement dans les régions riches en défauts, il disparaîtra rapidement, peu importe l'énergie totale dont il est parti. Le papier montre que le temps de croisement est déterminé par la quantité de chevauchement de votre état initial avec ce mode lent et sûr.

Les auteurs confirment qu'il ne s'agit pas d'un simple coup de chance dans la manière dont ils ont mesuré les données. Ils ont vérifié leurs résultats à l'aide d'une métrique mathématique rigoureuse appelée divergence de Kullback–Leibler (KL), et les croisements se sont produits au même moment, prouvant que l'effet est réel et n'est pas un artefact de leur méthode de mesure.

En résumé, ce papier démontre que dans un réseau de spins interactifs et désordonnés, le désordre est une ressource. En comprenant où se trouvent les « zones sûres » et les « zones de danger », et en préparant soigneusement l'état initial, les scientifiques peuvent contrôler la vitesse à laquelle un système se relaxe. Ils ont montré que l'on peut concevoir une situation où un système qui semble perdre la course la gagne en réalité, et qu'ils peuvent régler le temps de cette victoire à leur guise. Ce travail marque la première observation de l'effet Mpemba dans un réseau de spins étendus et la première démonstration expérimentale de ces dynamiques dans un état préthermique, offrant un nouvel outil pour contrôler la relaxation dans les matériaux quantiques complexes.

Résumé Technique : Effet Mpemba ajustable dans un réseau de spins à plusieurs corps en régime préthermique

Énoncé du Problème
La relaxation des systèmes à plusieurs corps en interaction est traditionnellement perçue comme une fonction de la distance de l'état initial par rapport à l'équilibre. Cependant, des cadres théoriques récents suggèrent que la dynamique de relaxation est également déterminée par la manière dont l'état initial chevauche des modes dynamiques spécifiques qui mènent le système vers l'équilibre. Bien que l'effet Mpemba — un phénomène où un état initialement plus éloigné de l'équilibre se relaxe plus rapidement qu'un état initialement plus proche — ait été observé dans des systèmes classiques et des systèmes quantiques isolés (par exemple, les ions piégés ou les processeurs supraconducteurs), il n'a pas encore été démontré expérimentalement dans un réseau à plusieurs corps étendu et en interaction. De plus, la dynamique de cet effet au sein d'un régime préthermique (un état métastable de longue durée stabilisé par une commande périodique) reste inexplorée.

Méthodologie
Les auteurs étudient expérimentalement ces dynamiques en utilisant un réseau de spins nucléaires du $^{13}$ C désordonné, intégré dans un cristal de diamant monocristallin dopé à l'azote. Le système présente :

Un réseau en interaction : Des noyaux de $^{13}$ C (abondance naturelle de 1,1 %) couplés par des interactions dipolaires ( $H_{nn}$ ).
Désordre et puits de relaxation : Des défauts paramagnétiques (centres NV et centres P1) positionnés de manière aléatoire créent un paysage hétérogène. Les noyaux proches de ces défauts subissent une relaxation rapide via des interactions hyperfines, tandis que ceux situés dans les régions pauvres en défauts se relaxent plus lentement.
Protocole de préparation d'état : L'équipe utilise un protocole de cyclage de champ à deux étapes à bas champ magnétique (36 mT) :
1. Hyperpolarisation ( $t_h$ ) : Des centres NV pompés optiquement injectent de la polarisation dans les noyaux de $^{13}$ C voisins.
2. Durée d'attente ( $t_w$ ) : Le système évolue librement, permettant à la diffusion de spin dipolaire de redistribuer la polarisation tandis que les spins électroniques fluctuants épuisent sélectivement la polarisation à proximité des défauts.
Lecture et commande : L'échantillon est déplacé vers un champ élevé (7,3 T) où une séquence d'impulsions de Floquet est appliquée. Cette séquence stabilise un régime préthermique de longue durée, permettant un suivi quasi continu de la magnétisation nucléaire sur plusieurs minutes via une RMN à haute vitesse.

Contributions Clés et Résultats

Observation de croisements de Mpemba : Les auteurs démontrent des croisements de Mpemba reproductibles où un état préparé avec un temps d'hyperpolarisation plus court mais sans temps d'attente ( $t_h=60$ s, $t_w=0$ s) — qui commence avec une polarisation totale plus élevée et est donc plus éloigné de l'équilibre — se relaxe plus rapidement qu'un état préparé avec des temps plus longs ( $t_h=150$ s, $t_w=150$ s). Les trajectoires se croisent à $t_\times \approx 8$ s.
Tunabilité du temps de croisement : En faisant varier indépendamment $t_h$ et $t_w$ , les auteurs contrôlent la polarisation totale et sa distribution spatiale par rapport aux défauts. Cela permet de régler le temps de croisement de Mpemba sur plusieurs ordres de grandeur, déplaçant l'intersection du régime de thermalisation tardive vers le plateau préthermique.
Origine sélective par mode : Des simulations semi-classiques révèlent que l'effet provient du chevauchement entre l'état initial et le mode de relaxation collective le plus lent ( $v_0$ $v_{0}$ ).
- Le mode le plus lent est localisé dans les régions pauvres en défauts du réseau de spins.
- Les états présentant une polarisation significative près des défauts paramagnétiques (régions à relaxation rapide) ont un faible chevauchement avec $v_0$ et décroissent rapidement.
- Les états où la polarisation a diffusé dans les régions pauvres en défauts (obtenu via un $t_w$ plus long) ont un fort chevauchement avec $v_0$ , conduisant à une décroissance plus lente malgré un départ plus proche de l'équilibre.
Dynamique préthermique : L'étude confirme que la physique de Mpemba peut être contrôlée au sein d'un état préthermique piloté. La commande de Floquet façonne la structure des modes de relaxation, tandis que la préparation de l'état contrôle la population de ces modes, permettant aux croisements de persister même après que le système est entré dans le plateau préthermique.
Validation via la divergence KL : Les auteurs vérifient que les croisements observés ne sont pas des artefacts de l'utilisation de la polarisation totale comme métrique. Les croisements persistent lorsque la distance par rapport à l'équilibre est quantifiée par la divergence de Kullback-Leibler (KL).

Signification
L'article affirme fournir la première observation expérimentale de l'effet Mpemba dans un réseau de spins à plusieurs corps étendu et la première démonstration de la dynamique de Mpemba dans un état préthermique.

Ce travail établit que le désordre, le transport et la préparation d'état sélective par mode sont des ressources critiques pour contrôler la relaxation dans les réseaux de spins étendus. Il démontre que le désordre spatial natif peut réordonner les trajectoires de relaxation, et que l'effet Mpemba est un mécanisme général découlant de l'interaction entre des paysages de relaxation hétérogènes et la distribution spatiale initiale de l'état. Ces résultats offrent des règles de conception concrètes pour moduler la dynamique de relaxation dans les matériaux magnétiques désordonnés, les réseaux de spins moléculaires et les ensembles de spins semi-conducteurs pertinents pour la détection quantique et l'hyperpolarisation.

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