Le chaud dépasse le tiède dans un réseau quantique express
Un coureur qui part en retard dépasse le leader et franchit la ligne d'arrivée en premier. Dans le monde quantique, un tel exploit a été réalisé par un système de spins nucléaires — ces minuscules aiguilles magnétiques que sont les atomes de carbone-13 dans le diamant. C'est une manifestation de l'effet Mpemba : un état initialement plus éloigné de l'équilibre se calme plus vite qu'un état qui en était plus proche.
Les auteurs de l'étude ont pris un diamant désordonné, dans lequel des défauts paramagnétiques (des atomes avec des électrons non appariés, qui accélèrent le retour à l'équilibre) sont dispersés de manière aléatoire. En commutant le champ magnétique, ils ont créé différents motifs d'aimantation — certains nets, d'autres plus lisses. Ensuite, ils ont activé un pompage périodique (ce qu'on appelle un forçage de Floquet), qui a poussé le système dans un état préthermique à longue durée de vie. Ce n'est pas un repos complet, mais plutôt un plateau sur le chemin qui y mène. Et à l'approche de ce plateau, le profil plus « agité » dépassait régulièrement le profil calme.
L'explication se cache dans la structure même du réseau. Les défauts créent des régions où les spins perdent rapidement de l'énergie, et des zones presque dépourvues de défauts. C'est dans ces zones propres que vit le mode collectif le plus lent — une sorte d'orchestre paresseux qui se souvient le plus longtemps de la mélodie initiale. Si l'état initial résonne fortement avec ce mode, il « fonce » vers la ligne d'arrivée, dépassant ceux qui sont partis plus près. Les calculs effectués avec des simulations semi-classiques ont confirmé que des défauts placés au hasard engendrent de rares régions où les spins n'ont presque rien à quoi s'accrocher. Ce sont ces régions qui dirigent la course anormale.
Résumé original
tel que rédigé par les auteurs, en anglais 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.
L'effet Mpemba lui-même doit son nom à un écolier tanzanien, Erasto Mpemba, qui en 1963 a remarqué que la crème glacée chaude se solidifie plus vite que la froide, et qui s'est acharné à le prouver à son professeur de physique.