Tunable Mpemba Effect in a Prethermal Many-Body Spin Network
यह शोध पत्र डायमंड के भीतर एक अव्यवस्थित C न्यूक्लियर-स्पिन नेटवर्क में ट्यूनेबल मेम्बा प्रभाव (Mpemba effect) को प्रयोगात्मक रूप से प्रदर्शित और नियंत्रित करता है, जो यह दर्शाता है कि कैसे दोष-प्रेरित स्थानिक ध्रुवीकरण प्रोफाइल और फ्लोकेट-संचालित प्रीथर्मल गतिकी (Floquet-driven prethermal dynamics) विशिष्ट विश्रांति मोड (relaxation modes) को चुनिเลือก रूप से भरकर, संतुलन से शुरू में अधिक दूर स्थित अवस्थाओं को निकटवर्ती अवस्थाओं से आगे निकलने की अनुमति देती है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ "सामान्य स्थिति में वापस आने" के नियम पूरी तरह से उलट दिए गए हों। भौतिकी में, यह नॉन-इक्विलिब्रियम डायनेमिक्स (nonequilibrium dynamics) का क्षेत्र है, जो इस बात का अध्ययन करता है कि कैसे अव्यवस्थित और ऊर्जावान प्रणालियाँ एक शांत, संतुलित अवस्था में स्थिर होती हैं। आमतौर पर, हम मानते हैं कि यदि आप फिनिश लाइन के करीब से शुरुआत करते हैं, तो आप पहले वहाँ पहुँचेंगे। लेकिन प्रकृति को ट्विस्ट पसंद है। यहाँ आता है एमपेम्बा प्रभाव (Mpemba effect), एक विरोधाभासी घटना जहाँ एक प्रणाली जो संतुलन से अधिक दूर से शुरू होती है, वास्तव में उस प्रणाली को पीछे छोड़ सकती है जो इसके करीब से शुरू हुई थी। इसे दो धावकों की तरह समझें: एक धावक फिनिश लाइन से बस कुछ ही कदम दूर से शुरू होता है लेकिन उसने भारी, घसीटने वाले जूते पहने हुए हैं, जबकि दूसरा धावक मीलों दूर से शुरू होता है लेकिन वह बेहतरीन फॉर्म के साथ स्प्रिंट कर रहा है। आश्चर्यजनक रूप से, दूर से शुरू करने वाला स्प्रिंटर फिनिश लाइन को पहले पार कर सकता है। वैज्ञानिकों ने इसे जमते हुए पानी जैसी चीजों में देखा है, लेकिन वे इसे परस्पर क्रिया करने वाले कणों की जटिल, भीड़भाड़ वाली दुनिया में खोजने की कोशिश कर रहे थे, जहाँ "धावक" लगातार एक-दूसरे से टकरा रहे हैं और दौड़ के नियम बदल रहे हैं। इसे समझना केवल एक दिखावा नहीं है; यह क्वांटम सिस्टम को नियंत्रित करने, कंप्यूटर रीसेट की गति बढ़ाने और नाजुक क्वांटम सेंसर को स्थिर रखने के लिए महत्वपूर्ण है।
अब, आइए एक नए प्रयोग में गोता लगाएं जहाँ यूसी बर्कले (UC Berkeley) और लॉरेंस बर्कले नेशनल लेबोरेटरी के शोधकर्ताओं ने तय किया कि वे एक हीरे के भीतर सूक्ष्म परमाणु चुम्बकों के नेटवर्क के साथ यह दौड़ खेलेंगे। उन्होंने पानी या बर्फ का उपयोग नहीं किया; उन्होंने एक 13C न्यूक्लियर-स्पिन नेटवर्क (13C nuclear-spin network) का उपयोग किया—हीरे के क्रिस्टल के भीतर कार्बन-13 परमाणुओं का एक विशाल, अव्यवस्थित समूह जो छोटे घूमते हुए लट्टुओं (spinning tops) की तरह व्यवहार कर रहे हैं। टीम ने खोजा कि वे इन परमाणु लट्टुओं को एमपेम्बा धावकों की तरह व्यवहार करने के लिए मजबूर कर सकते हैं, और वे यह भी सटीक रूप से ट्यून कर सकते हैं कि "धीमा" धावक "तेज" धावक को ठीक कब ओवरटेक करेगा।
यहाँ बताया गया है कि उन्होंने मंच कैसे तैयार किया। हीरे के अंदर, दो प्रकार के "परेशान करने वाले तत्व" हैं: नाइट्रोजन-वैकेंसी (NV) सेंटर्स और P1 सेंटर्स। ये क्रिस्टल में दोष (defects) हैं जो चुंबक की तरह कार्य करते हैं, जिससे एक अराजक परिदृश्य बनता है। हीरे के कुछ हिस्से इन दोषों से भरे होते हैं, जो उन्हें "हॉट ज़ोन" बनाते हैं जहाँ घूमने वाले परमाणु बहुत तेज़ी से अपनी ऊर्जा खो देते हैं (रिलैक्स होते हैं)। अन्य हिस्से इन दोषों से दूर होते हैं, जो "सेफ ज़ोन" के रूप में कार्य करते हैं जहाँ परमाणु थकने से पहले लंबे समय तक घूम सकते हैं।
शोधकर्ताओं ने अपने धावकों को सेट करने के लिए एक चतुर दो-चरणीय तैयारी गेम का उपयोग किया। सबसे पहले, उन्होंने परमाणुओं को "हाइपरपोलराइज" (hyperpolarize) करने के लिए प्रकाश का उपयोग किया, जिससे उन्हें ऊर्जा का एक बड़ा विस्फोट मिला। यह धावक को फिनिश लाइन के पास भारी, घसीटने वाले जूते पहनाकर लोड करने जैसा है (बहुत अधिक ऊर्जा, लेकिन एक खराब जगह में)। फिर, उनके पास दो विकल्प थे:
- "वेट" (प्रतीक्षा) गेम: वे सिस्टम को कुछ समय के लिए छोड़ सकते थे। इस प्रतीक्षा के दौरान, दोषों के पास के परमाणु तेजी से अपनी ऊर्जा खो देंगे (रिलैक्स होंगे), जबकि सेफ ज़ोन में मौजूद परमाणु अपनी ऊर्जा बनाए रखेंगे। यह प्रभावी रूप से ऊर्जा को "परेशान करने वालों" से दूर और सेफ ज़ोन में ले जाता है।
- "नो वेट" (बिना प्रतीक्षा) गेम: वे प्रतीक्षा को छोड़कर तुरंत दौड़ शुरू कर सकते थे। इस मामले में, ऊर्जा दोषों के पास केंद्रित रही, जहाँ इसे तेजी से गायब होना ही था।
प्रयोग में हीरे को एक उच्च चुंबकीय क्षेत्र में ले जाना और एक विशेष "फ्लोकेट ड्राइविंग" (Floquet driving) तकनीक (एक लयबद्ध पल्स अनुक्रम) का उपयोग करके परमाणुओं के रिलैक्स होने को देखना शामिल था, जिसने सिस्टम को एक प्रीथर्मल रिजीम (prethermal regime) में रखा। यह एक विशेष अवस्था है जहाँ सिस्टम पूरी तरह से संतुलन तक ठंडा होने से पहले लंबे समय तक "गर्म" और सक्रिय रहता है।
परिणाम एमपेम्बा प्रभाव की स्पष्ट जीत थे। जब उन्होंने लंबे "हाइपरपोलराइजेशन" समय लेकिन बिना "वेट" (दोषों के पास बहुत अधिक ऊर्जा) के तैयार की गई अवस्था की तुलना लंबे "वेट" समय (कम कुल ऊर्जा, लेकिन सुरक्षित रूप से सुरक्षित क्षेत्रों में छिपी हुई) के साथ तैयार की गई अवस्था से की, तो कुछ अद्भुत हुआ। अधिक ऊर्जा वाली अवस्था ने बहुत दूर से शुरुआत की, लेकिन क्योंकि वह "हॉट ज़ोन" में फंसी हुई थी, इसलिए उसने अपनी ऊर्जा तेजी से खो दी। कम ऊर्जा वाली अवस्था ने संतुलन के करीब से शुरुआत की, लेकिन क्योंकि वह "सेफ ज़ोन" में छिपी हुई थी, उसने अपनी ऊर्जा को बहुत लंबे समय तक थामे रखा।
"दूर" वाला धावक "करीब" वाले धावक को ओवरटेक कर गया! शोधकर्ताओं ने इन एमपेम्बा क्रॉसिंग्स (Mpemba crossings) को बार-बार होते हुए देखा। इससे भी शानदार बात यह है कि वे इस क्रॉसओवर के सटीक क्षण को ट्यून कर सकते थे। तैयारी के समय को समायोजित करके, वे क्रॉसिंग पॉइंट को लंबे, स्थिर प्रीथर्मल प्लेटो (prethermal plateau) के कुछ सेकंडों से लेकर कई ऑर्डर्स ऑफ मैग्नीट्यूड तक ट्यून कर सकते थे।
यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों हुआ, टीम ने सेमीक्लासिकल सिमुलेशन (semiclassical simulations) चलाए। उन्होंने पाया कि सिस्टम में रिलैक्सेशन के विशिष्ट "मोड्स" या पैटर्न होते हैं। एक "सबसे धीमा मोड" (slowest mode) है जो हीरे के दोष-रहित क्षेत्रों में रहता है। यदि आपकी प्रारंभिक अवस्था (आपका धावक) का इस धीमे मोड के साथ बहुत अधिक ओवरलैप है, तो यह लंबे समय तक चलेगा। यदि आपकी प्रारंभिक अवस्था मुख्य रूप से दोष-समृद्ध क्षेत्रों में है, तो यह कितनी भी कुल ऊर्जा होने के बावजूद तेजी से गायब हो जाएगी। शोध पत्र दिखाता है कि क्रॉसिंग का समय इस बात पर निर्भर करता है कि आपकी शुरुआती अवस्था का इस धीमे, सुरक्षित मोड के साथ कितना ओवरलैप है।
लेखक पुष्टि करते हैं कि यह केवल उनके डेटा मापने का कोई संयोग नहीं है। उन्होंने अपने परिणामों की जांच कुलबैक-लीब्लर (Kullback–Leibler - KL) डाइवर्जेंस नामक एक कठोर गणितीय मीट्रिक का उपयोग करके की, और क्रॉसिंग उसी समय हुई, जिससे यह साबित हुआ कि प्रभाव वास्तविक है और यह उनके माप पद्धति का कोई आर्टिफैक्ट (artifact) नहीं है।
संक्षेप में, यह पेपर प्रदर्शित करता है कि विसरित, परस्पर क्रिया करने वाले स्पिन नेटवर्क में, विकार (disorder) एक संसाधन है। यह समझकर कि "सेफ ज़ोन" और "डेंजर ज़ोन" कहाँ हैं, और प्रारंभिक अवस्था को सावधानीपूर्वक तैयार करके, वैज्ञानिक यह नियंत्रित कर सकते हैं कि कोई सिस्टम कितनी तेजी से रिलैक्स होता है। उन्होंने दिखाया कि आप एक ऐसी स्थिति इंजीनियर कर सकते हैं जहाँ एक प्रणाली जो दौड़ हारती हुई दिखती है, वास्तव में जीत जाती है, और वे इस जीत के समय को अपनी इच्छा अनुसार ऊपर या नीचे ट्यून कर सकते हैं। यह कार्य एक विस्तारित मेनी-बॉडी स्पिन नेटवर्क में एमपेम्बा प्रभाव का पहला अवलोकन और एक प्रीथर्मल अवस्था में इन डायनेमिक्स का पहला प्रयोगात्मक प्रदर्शन है, जो जटिल क्वांटम सामग्रियों में रिलैक्सेशन को नियंत्रित करने के लिए एक नया टूलकिट प्रदान करता है।
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