Обратный эффект Мпембы, продемонстрированный на кубите с одним захваченным ионным атомом
Хорошо известно, что при определенных обстоятельствах теплая жидкость замерзает быстрее, чем холодная. Это явление изучал танзанийский старшеклассник по имени Эрасто Мпемба в 1960-х годах. Было обнаружено, что при других обстоятельствах также происходит обратный эффект Мпембы, при котором холодная вода нагревается быстрее, чем горячая. В этой новой работе исследовательская группа продемонстрировала, что такие эффекты могут происходить в квантовом масштабе. Группа физиков из Института науки Вейцмана в Израиле успешно продемонстрировала обратный эффект Мпембы на квантовом уровне с использованием одиночных захваченных ионов. В своем исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, группа продемонстрировала эффект, захватив ион стронция-88, связанный с внешней термальной ванной. Ион сначала охлаждался (или нагревался) с помощью лазеров, а затем вступал во взаимодействие с теплой (или холодной) ванной, которая нагревалась (или охлаждалась) с помощью второго лазера, что приводило к медленной декогеренции его квантового состояния.
Вверху слева: смоделированная квантовая система, демонстрирующая обратный эффект Мпембы.
Внизу слева: результирующая связь между уровнями кубита.
Справа: кубит отображается на 5???? 1/2 уровней основного состояния Зеемана захваченного иона 88 Sr + .
Кредит: Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.010403
Группа физиков из Института науки Вейцмана в Израиле успешно продемонстрировала обратный эффект Мпембы на квантовом уровне с использованием одиночных захваченных ионов. В своем исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, группа продемонстрировала эффект, захватив ион стронция-88, связанный с внешней термальной ванной.
Хорошо известно, что при определенных обстоятельствах теплая жидкость замерзает быстрее, чем холодная. Это явление изучал танзанийский старшеклассник по имени Эрасто Мпемба в 1960-х годах. Он провел множество экспериментов, чтобы показать, при каких обстоятельствах это сработает; из-за этого это явление теперь называется эффектом Мпембы.
К сожалению, несмотря на исследования многих групп ученых, это все еще недостаточно изучено, хотя было обнаружено, что при других обстоятельствах также происходит обратный эффект Мпембы, при котором холодная вода нагревается быстрее, чем горячая. В этой новой работе исследовательская группа продемонстрировала, что такие эффекты могут происходить в квантовом масштабе.
Работа команды включала захват одного иона стронция-88 во внешней ванне. Ион сначала охлаждался (или нагревался) с помощью лазеров, а затем вступал во взаимодействие с теплой (или холодной) ванной, которая нагревалась (или охлаждалась) с помощью второго лазера, что приводило к медленной декогеренции его квантового состояния.
Группа ученых описала ион в его конечном состоянии как находящийся на пути релаксации, поскольку это было состояние, в котором он бы в конечном итоге оказался, если бы ванна не была нагрета или охлаждена. Они отмечают, что этот путь не был термически линейным, поскольку это была квантовая, а не классическая система.
Изменяя температуру иона и его ванны, команда смогла продемонстрировать, что при некоторых обстоятельствах ион способен достичь своего более теплого пути релаксации быстрее, если он начинает свой путь в более холодном состоянии, чем если бы он начинал свой путь в более теплом состоянии — пример обратного эффекта Мпембы.
Исследовательская группа использует аналогию со школьным автобусом, чтобы объяснить, почему их эксперимент сработал именно так, а не иначе. Представьте себе водителя автобуса, который может закончить движение по своему маршруту только тогда, когда из него выйдет последний ребенок. В этой ситуации он ограничен скоростью самого медленного ребенка в автобусе.
