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.
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.