Горячее обгоняет тёплое в квантовой сети экспресс

Оригинал: "Tunable Mpemba Effect in a Prethermal Many-Body Spin Network"
arXiv:2607.21669 · 2026-07-23 · CC BY 4.0 · 1 мин
В алмазе с дефектами состояние, изначально более далёкое от равновесия, может прийти к нему быстрее, чем то, что было ближе.

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.

Время обгона меняли в тысячи раз — от мгновенных скачков до задержек, сравнимых с полным временем выхода на плато.

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.

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.

Учёные
Ludwig BoltzmannRudolf ClausiusNiels BohrPascual JordanWerner HeisenbergJacob Bekenstein
Понятия
квантовый эффект Мпембы тепловое равновесие релаксация квантовые явления замерзания время релаксации возмущение неравновесное состояние термализация