De onderzoekers onderzochten het Mpemba-effect in kwantumsystemen, een fenomeen waarbij warm water sneller kan bevriezen dan koud water. Dit kwantum-Mpemba-effect behoudt de herinnering aan zijn oorspronkelijke omstandigheden, wat later de thermische relaxatie ervan beïnvloedt. Het team gebruikte twee quantum dot-systemen en ontdekte het kwantumthermische effect van Mpemba onder verschillende omstandigheden, wat wijst op potentiële bredere toepassingen die verder gaan dan thermische analyse.
Hetere kwantumsystemen kunnen sneller afkoelen dan hun aanvankelijk koelere tegenhangers.
Bevriest warm water sneller dan koud water? Misschien was Aristoteles de eerste die deze vraag behandelde, die later bekend werd als Mpemba-effect.
Dit fenomeen verwijst oorspronkelijk naar Niet-monotone initiële temperatuurafhankelijkheid vanaf het moment waarop de stolling begon, maar zijn waargenomen in verschillende systemen – inclusief colloïden – en zijn ook bekend geworden als het mysterieuze relaxatiefenomeen dat afhangt van initiële omstandigheden.
Slechts weinigen hebben dit effect echter eerder in kwantumsystemen bestudeerd.
Wat is het Mpemba-effect?
Het Mpemba-effect is een contra-intuïtief fenomeen waarbij heet water onder bepaalde omstandigheden sneller kan bevriezen dan koud water. Vernoemd naar Erasto Mpemba, een Tanzaniaanse student die dit effect in de jaren zestig opmerkte en het later onder de aandacht van de wetenschappelijke gemeenschap bracht, is het fenomeen al eeuwenlang een onderwerp van nieuwsgierigheid, met verwijzingen die teruggaan tot bijvoorbeeld Aristoteles. De exacte oorzaak van het Mpemba-effect is nog steeds een onderwerp van discussie onder wetenschappers.
recente resultaten
Nu heeft een team van onderzoekers van de Universiteit van Kyoto en de Universiteit van Landbouw en Technologie van Tokyo aangetoond dat het kwantum-Mpemba-effect van temperatuur kan worden bereikt over een breed scala aan initiële omstandigheden.
‘Het kwantum-Mpemba-effect draagt de herinnering in zich aan initiële omstandigheden die op latere tijdstippen tot abnormale thermische relaxatie leidden’, legt projectleider en co-auteur Hisao Hayakawa van het Yukawa Instituut voor Theoretische Fysica in Kyoto uit.
Twee quantum dot-systemen verbonden in een thermaal bad, één waarin stroom vloeit en de andere in evenwicht. Voor elk werd de temporele evolutie naar een stabiele toestand gevolgd. Bron: Kyoto Yu / Hisao Hayakawa
Hayakawa’s team zette twee quantum dot-systemen op die verbonden waren met een thermaal bad, het ene waarin stroom vloeide en het andere in evenwicht. Beiden werden uitgedoofd tot een hypotherme evenwichtstoestand, waardoor het team de evolutie van de tijd naar een stabiele toestand kon volgen met betrekking tot de matrix van dichtheid, energie, entropie en, belangrijker nog, temperatuur.
Het kwantitatieve Mpemba-effect bereiken
“Toen de twee versies elkaar kruisten voordat ze dezelfde evenwichtstoestand bereikten – zodat het hetere deel koeler werd en omgekeerd in een identiteitsomkering – wisten we dat we het thermische kwantum-Mpemba-effect hadden bereikt”, zegt co-auteur Satoshi Takada van TUAT. .
Na het analyseren De belangrijkste kwantumvergelijking“We ontdekten ook dat we een kwantumthermisch Mpemba-effect verkregen in een breed scala aan parameters, waaronder reservoirtemperaturen en chemische mogelijkheden”, voegt eerste auteur en verslaggever Amit Kumar Chatterjee, eveneens uit Kyoto, toe.
“Onze resultaten moedigen ons aan om het potentiële gebruik van het kwantum-Mpemba-effect te onderzoeken in toekomstige toepassingen die verder gaan dan thermische analyses”, zegt Hayakawa.
Referentie: “Quantum Dot Mpemba Effect met reservoirs” door Amit Kumar Chatterjee, Satoshi Takada en Hisao Hayakawa, 22 augustus 2023, hier beschikbaar. Fysieke beoordelingsbrieven.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.080402
‘Webgeek. Wannabe-denker. Lezer. Freelance reisevangelist. Liefhebber van popcultuur. Gecertificeerde muziekwetenschapper.’
