Tunable Mpemba Effect in a Prethermal Many-Body Spin Network

Immaginate un mondo in cui le regole del "tornare alla normalità" sono capovolte. In fisica, questo è il regno della dinamica fuori equilibrio, un campo che studia come sistemi disordinati ed energetici si assestino in uno stato calmo e bilanciato. Di solito, assumiamo che se parti più vicino al traguardo, arriverai prima. Ma la natura ama i colpi di scena. Entra in scena l'effetto Mpemba, un fenomeno controintuitivo in cui un sistema che parte più lontano dall'equilibrio può effettivamente superare uno che è partito più vicino ad esso. Pensate a due corridori: uno parte a pochi passi dal traguardo ma indossa stivali pesanti e trascinanti, mentre l'altro parte a chilometri di distanza ma corre con una forma perfetta. Sorprendentemente, lo sprinter che parte da lontano potrebbe tagliare il traguardo per primo. Gli scienziati lo hanno osservato in cose come l'acqua che congela, ma lo hanno cercato nel complesso e affollato mondo delle particelle interagenti, dove i "corridori" si scontrano costantemente tra loro e cambiano le regole della gara. Comprendere questo non è solo un trucco da bar; è fondamentale per capire come controllare i sistemi quantistici, velocizzare i reset dei computer e mantenere stabili i delicati sensori quantistici.

Ora, tuffiamoci in un nuovo esperimento dove ricercatori della UC Berkeley e del Lawrence Berkeley National Laboratory hanno deciso di giocare a questa gara con una rete di minuscoli magneti atomici all'interno di un diamante. Non hanno usato acqua o ghiaccio; hanno usato una rete di spin nucleari del 13C — una vasta, disordinata folla di atomi di carbonio-13 che agiscono come minuscole trottole, tutte che si urtano all'interno di un cristallo di diamante. Il team ha scoperto che poteva far comportare queste trottole atomiche come i corridori di Mpemba, e poteva persino regolare esattamente quando il corridore "lento" avrebbe sorpassato quello "veloce".

Ecco come hanno preparato la scena. All'interno del diamante, ci sono due tipi di "creature moleste": centri Nitrogen-Vacancy (NV) e centri P1. Questi sono difetti nel cristallo che agiscono come magneti, creando un paesaggio caotico. Alcuni punti nel diamante sono densi di questi difetti, rendendoli "zone calde" dove gli atomi che ruotano si rilassano (perdono la loro energia) molto rapidamente. Altri punti sono lontani dai difetti, agendo come "zone sicure" dove gli atomi possono ruotare per molto tempo senza stancarsi.

I ricercatori hanno utilizzato un astuto gioco di preparazione in due fasi per impostare i loro corridori. Per prima cosa, hanno usato la luce per "iperpolarizzare" gli atomi vicino ai difetti, dando loro una enorme scarica di energia. Questo è come caricare il corridore vicino al traguardo con stivali pesanti e trascinanti (molta energia, ma in un punto svantaggioso). Poi, avevano due scelte:

1. Il gioco dell' "Attesa": Potevano lasciare che il sistema rimanesse fermo per un po'. Durante questa attesa, gli atomi vicino ai difetti avrebbero perso rapidamente la loro energia (rilassamento), mentre gli atomi nelle zone sicure avrebbero mantenuto la loro energia. Questo spostava efficacementamente l' "energia" lontano dai cretini e verso le zone sicure.
2. Il gioco del "Nessuna Attesa": Potevano saltare l'attesa e iniziare immediatamente la gara. In questo caso, l'energia rimaneva concentrata vicino ai difetti, dove era destinata a svanire rapidamente.

L'esperimento consisteva nello spostare il diamante in un campo magnetico elevato e osservare come gli atomi si rilassavano usando una speciale tecnica di "driving Floquet" (una sequenza di impulsi ritmici) che manteneva il sistema in un regime pretermico. Questo è uno stato speciale in cui il sistema rimane "caldo" e attivo per molto tempo prima di finalmente raffreddarsi verso l'equilibrio totale.

I risultati sono stati una chiara vittoria per l'effetto Mpemba. Quando hanno confrontato uno stato preparato con un lungo tempo di "iperpolarizzazione" ma senza "attesa" (molta energia bloccata vicino ai difetti a rilassamento rapido) contro uno stato preparato con un lungo tempo di "attesa" (meno energia totale, ma messa al sicuro nelle zone a rilassamento lento), è successo qualcosa di incredibile. Lo stato con più energia è partito lontano dall'equilibrio, ma poiché era bloccato nelle "zone calde", ha perso la sua energia rapidamente. Lo stato con meno energia è partito più vicino all'equilibrio, ma poiché si era nascosto nelle "zone sicure", ha mantenuto la sua energia molto più a lungo.

Il corridore "più lontano" ha superato il corridore "più vicino"! I ricercatori hanno osservato questi incroci di Mpemba accadere in modo riproducibile. Ancora più interessante, potevano regolare l'esatto momento in cui avveniva questo crossover. Regolando i tempi di preparazione, potevano spostare il punto di incrocio da pochi secondi all'inizio del lungo plateau pretermico stabile, sintonizzando il tempo su diversi ordini di grandezza.

Per capire perché ciò sia accaduto, il team ha eseguito simulazioni semiclassiche. Hanno scoperto che il sistema ha specifici "modi" o schemi di rilassamento. Esiste un "modo più lento" che vive nelle regioni povere di difetti del diamante. Se il vostro stato iniziale (il vostro corridore) ha molta sovrapposizione con questo modo lento, durerà a lungo. Se il vostro stato iniziale è principalmente nelle regioni ricche di difetti, svanirà rapidamente, indipendentemente da quanta energia totale ha iniziato con essa. Se il vostro stato iniziale è prevalentemente nelle regioni ricche di difetti, svanirà rapidamente, indipendentemente da quanta energia totale ha iniziato con essa. Il paper mostra che il tempo di incrocio è determinato da quanta sovrapposizione il vostro stato iniziale ha con questo modo lento e sicuro.

Gli autori confermano che questo non è solo un colpo di fortuna nel modo in cui hanno misurato i dati. Hanno controllato i loro risultati utilizzando una metrica matematica rigorosa chiamata divergenza di Kullback–Leibler (KL), e gli incroci sono avvenuti allo stesso tempo, provando che l'effetto è reale e non un artefatto del loro metodo di misurazione.

In breve, questo articolo dimostra che in una rete di spin interagenti e disordinata, il disordine è una risorsa. Comprendendo dove si trovano le "zone sicure" e le "zone di pericolo", e preparando attentamente lo stato iniziale, gli scienziati possono controllare la velocità con cui un sistema si rilassa. Hanno dimostrato che si può progettare una situazione in cui un sistema che sembra stare perdendo la gara, in realtà la vince, e possono regolare il tempo di questa vittoria a piacimento. Questo lavoro segna la prima osservazione dell'effetto Mpemba in una rete di spin estesa a molti corpi e la prima dimostrazione sperimentale di queste dinamiche in uno stato pretermico, offrendo un nuovo kit di strumenti per controllare il rilassamento nei materiali quantistici complessi.