Горячее остывает быстрее: парадокс Мпембы для теплового излучения экспресс
В горячей кружке вода иногда застывает в лёд быстрее, чем в тёплой. Этому парадоксу больше полувека, и называется он эффектом Мпембы. Обычно его связывают с движением жидкости или испарением. Теперь физики показали: похожий фокус возможен и без воды — просто через излучение тепла.
Герой этой истории — крошечная частица VO₂, подвешенная в нескольких десятках нанометров от холодной пластины из карбида кремния (SiC). Когда частица горячее, она быстрее достигает температуры перехода и «включает» металлическое состояние. Скрытая теплота на время запирает часть энергии, не давая температуре падать. А когда частица чуть остывает, решётка возвращается в изолятор, и запасённое тепло высвобождается — как пружина. Этот тепловой буфер и создаёт условия, при которых более горячее тело может проскочить опасный температурный диапазон быстрее, чем то, что стартовало с меньшим жаром.
Ключевую роль играет ближнее поле — излучательный теплообмен на расстояниях меньше длины волны. Оно резко ускоряет охлаждение и позволяет подложке работать как внешняя память: отражая излучение, пластина удерживает информацию о том, в каком состоянии была частица. Так рождается пассивный эффект Мпембы — без насосов, вентиляторов и сложной электроники.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2606.22552
The Mpemba effect states that initially hotter systems cool faster than colder ones. While known in convective, conductive, and quantum systems, its radiative analogue is unexplored. Here, this anomaly is realized via phase-change hysteresis of a VO$$_2$$ nanoparticle near a SiC substrate. After analytically deriving an onset condition, the phase space is mapped. Crucially, latent heat acts as a thermal buffer enabling both ordinary and inverse effects. Near-field coupling governs the relaxation time and enables a passive effect where memory is stored externally via substrate reflection.
Эффект Мпембы назван в честь танзанийского школьника Эрасто Мпембы, который в 1963 году заметил, что горячее мороженое застывает быстрее холодного, и упросил профессора проверить это в лаборатории.