Lo caliente adelanta a lo tibio en una red cuántica exprés
Un corredor va por detrás del líder, pero llega primero a la meta. En el mundo cuántico, esta proeza la realizó un sistema de espines nucleares — las diminutas agujas magnéticas de los átomos de carbono-13 en un diamante. Es una manifestación del efecto Mpemba: un estado inicialmente más lejos del equilibrio se tranquiliza más rápido que otro que estaba más cerca del reposo.
Los autores del trabajo tomaron un diamante con desorden — en él están dispersos caóticamente defectos paramagnéticos (átomos con electrones desapareados que aceleran el retorno al equilibrio). Mediante la conmutación del campo magnético, crearon distintos patrones de magnetización — unos abruptos, otros suaves. Luego activaron un bombeo periódico (la llamada acción Floquet) que llevaba al sistema a un estado pre-térmico de larga vida. No es un reposo total, sino más bien una meseta en el camino hacia él. Y en las aproximaciones a esa meseta, el perfil más "alborotado" adelantaba regularmente al tranquilo.
La clave está oculta en la estructura de la propia red. Los defectos crean regiones donde los espines pierden energía rápidamente, y zonas casi sin defectos. Precisamente en estas zonas limpias vive el modo colectivo más lento — una especie de orquesta perezosa que recuerda la melodía inicial más tiempo que nadie. Si el estado inicial resuena fuertemente con este modo, es el que "dispara" hacia la meta, dejando atrás a los que empezaron más cerca. Los cálculos con simulaciones semiclásicas confirmaron: los defectos distribuidos al azar generan regiones raras donde los espines casi no tienen de qué agarrarse. Estas regiones son las que dirigen la carrera anómala.
Resumen original
tal como lo escribieron los autores, en inglés arXiv:2607.21669
Relaxation in an interacting system is determined not only by its initial distance from equilibrium, but also by the relaxation modes populated by the initial state. Here we experimentally observe and control the Mpemba effect, in which a state farther from equilibrium overtakes one initially closer, in an extended, disordered $$^{13}$$C nuclear-spin network in diamond. Field cycling allows us to prepare distinct spatial polarization profiles by independently controlling hyperpolarization and defect-mediated relaxation. We then track their evolution under Floquet driving, which stabilizes a long-lived prethermal regime. We observe reproducible Mpemba crossings and tune the crossing time over several orders of magnitude, from late-time thermalization into the prethermal plateau. Semiclassical simulations show that randomly positioned paramagnetic defects create fast-relaxing regions and defect-poor regions that support the slowest collective relaxation mode. The Mpemba crossings are set by the initial state overlap with this mode. Our results demonstrate anomalous relaxation within a prethermal many-body regime and identify disorder, transport, and mode-selective state preparation as resources for controlling relaxation in extended spin networks.
El efecto Mpemba lleva el nombre del estudiante tanzano Erasto Mpemba, quien en 1963 notó que la mezcla caliente para helado se congela más rápido que la fría, y se empeñó en demostrárselo a su profesor de física.