Горячее обгоняет тёплое в квантовой сети экспресс
Бегун отстаёт от лидера, но к финишу приходит первым. В квантовом мире такой трюк проделала система ядерных спинов — крошечных магнитных стрелок атомов углерода-13 в алмазе. Это проявление эффекта Мпембы: состояние, изначально более далёкое от равновесия, успокаивается быстрее того, что было ближе к покою.
Авторы работы взяли алмаз с беспорядком — в нём хаотично разбросаны парамагнитные дефекты (атомы с неспаренными электронами, ускоряющие возврат к равновесию). С помощью переключения магнитного поля они создавали разные узоры намагниченности — одни резкие, другие плавные. Затем включали периодическую накачку (так называемое Floquet-воздействие), которая загоняла систему в долгоживущее предтепловое состояние. Это не полный покой, а скорее плато на пути к нему. И вот на подступах к этому плато более «взбудораженный» профиль регулярно обгонял спокойный.
Разгадка скрыта в структуре самой сети. Дефекты создают области, где спины быстро теряют энергию, и зоны, почти лишённые дефектов. Именно в этих чистых зонах живёт самая медленная коллективная мода — своего рода ленивый оркестр, который дольше всех помнит начальную мелодию. Если начальное состояние сильно перекликается с этой модой, оно и «выстреливает» к финишу, обходя тех, кто стартовал ближе. Расчёты на полуклассических симуляциях подтвердили: случайно расположенные дефекты порождают редкие области, где спинам почти не за что зацепиться. Эти области и дирижируют аномальной гонкой.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском 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.
Сам эффект Мпембы назван в честь танзанийского школьника Эрасто Мпембы, который в 1963 году заметил, что горячее мороженое застывает быстрее холодного, и упорно доказывал это учителю физики.