Bagaimana sistem kuantum menentang logika beku

Sistem kuantum yang lebih panas dapat mendingin lebih cepat dibandingkan sistem kuantum yang awalnya lebih dingin.

Apakah air panas lebih cepat membeku dibandingkan air dingin? Aristoteles mungkin adalah orang pertama yang menjawab pertanyaan ini, yang kemudian dikenal sebagai: Efek Mpemba.

Fenomena ini awalnya mengacu pada Ketergantungan suhu awal non-monotonik Sejak mulai membeku, namun telah diamati di berbagai sistem – termasuk koloid – dan juga dikenal sebagai fenomena relaksasi misterius yang bergantung pada kondisi awal.

Namun, sangat sedikit yang pernah mempelajari efek ini dalam sistem kuantum.

Apa efek Mbemba?

Efek Mbemba merupakan fenomena kontra-intuitif dimana air panas dapat membeku lebih cepat dibandingkan air dingin dalam kondisi tertentu. Dinamakan berdasarkan Erasto Mbemba, seorang mahasiswa Tanzania yang memperhatikan efek ini pada tahun 1960an dan kemudian menarik perhatian komunitas ilmiah, fenomena ini telah menjadi bahan keingintahuan selama berabad-abad, dengan referensi yang berasal dari Aristoteles. Penyebab pasti terjadinya efek Mbemba masih menjadi perdebatan di kalangan ilmuwan.

Hasil terbaru

Kini, tim peneliti dari Universitas Kyoto dan Universitas Pertanian dan Teknologi Tokyo telah menunjukkan bahwa efek kuantitatif suhu Mpemba dapat dicapai dalam berbagai kondisi awal.

“Efek kuantum Mpemba membawa memori kondisi awal yang mengarah pada anomali relaksasi termal di kemudian hari,” jelas pemimpin proyek dan rekan penulis Hisao Hayakawa di Institut Yukawa untuk Fisika Teoretis di Kyoto.

Dua sistem titik kuantum dihubungkan dalam pemandian air panas, satu dengan arus yang mengalir dan yang lainnya dalam kesetimbangan. Evolusi temporal menuju keadaan stabil diikuti oleh masing-masing orang. Sumber: Kyoto Yu/Hisao Hayakawa

Tim Hayakawa membuat dua sistem dengan titik-titik kuantum yang terhubung ke pemandian air panas, satu di mana arus mengalir dan yang lainnya dalam kesetimbangan. Keduanya didinginkan hingga mencapai keseimbangan suhu rendah, sehingga memungkinkan tim untuk mengikuti evolusi waktu menuju kondisi stabil sehubungan dengan matriks kepadatan, energi, entropi, dan, yang paling penting, suhu.

Menyelidiki efek Mbemba kuantitatif

“Ketika kedua versi berpotongan sebelum mencapai keadaan kesetimbangan yang sama—sehingga bagian yang lebih panas menjadi lebih dingin dan sebaliknya dalam pembalikan identitas—kami tahu bahwa kami telah mencapai efek Mbemba termal kuantum,” kata rekan penulis Satoshi Takada dari TUAT. .

“Setelah menganalisa Persamaan kuantum utama“Kami juga menemukan bahwa kami menangkap efek kuantum termal Mbemba dalam berbagai parameter, termasuk suhu reservoir dan potensi kimia,” tambah penulis pertama dan koresponden Amit Kumar Chatterjee, juga dari Kyoto.

“Hasil yang kami peroleh mendorong kami untuk mengeksplorasi potensi penggunaan efek Mpemba kuantitatif dalam aplikasi masa depan di luar analisis termal,” kata Hayakawa.

Referensi: “Efek Quantum Mpemba dalam Quantum Dot dengan Reservoir” oleh Amit Kumar Chatterjee, Satoshi Takada, dan Hisao Hayakawa, 22 Agustus 2023, Surat ulasan fisik.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.080402