Quanten-Mpemba-Effekt experimentell bestätigt: Beschleunigung der Relaxation in Quantensystemen
Forscher aus China, Großbritannien und Singapur haben den Quanten-Mpemba-Effekt experimentell nachgewiesen und gezeigt, dass spezifische Anfangsbedingungen die Relaxation in Quantensystemen beschleunigen können. Dieses Phänomen spiegelt den klassischen Mpemba-Effekt wider, bei dem paradoxerweise heißes Wasser unter bestimmten Bedingungen schneller abkühlen kann als kaltes Wasser.
Die Ergebnisse des Teams, die in Nature Communications veröffentlicht wurden, umfassten die Verwendung einzelner gefangener Ionen, um die Relaxation eines reinen Zustands in einen stationären Zustand exponentiell zu beschleunigen. Dies ist ein Hauptmerkmal des starken Mpemba-Effekts (sME). Die Forschung liefert Strategien für die Entwicklung und Analyse offener Quantensysteme, die potenziell Quantenbatterien und andere Technologien zugute kommen.
Die Studie hebt hervor, dass die Zerfallsrate eines Systems in einem sME-Zustand höher ist als bei anderen, was den Einfluss der Anfangsbedingungen auf die Gleichgewichtsgeschwindigkeit unterstreicht. Während klassische Systeme durch die Fokker-Planck-Gleichung mit der Temperatur als Schlüsselvariable beschrieben werden, folgen Quantensysteme der Lindblad-Mastergleichung, wobei die Energie des sME-Zustands entscheidend ist.
Forscher erzeugten einen reinen Zustand mit keiner Überlappung mit dem langsamsten Zerfallsmodus (SDM), indem sie ein Ca-Ion einfingen und drei Energieniveaus mithilfe von Laserwechselwirkungen koppelten. Durch die Abstimmung der Rabi-Frequenzen beobachteten sie verschiedene Relaxationsregime. Der Übergang von sME zu schwachem ME trat auf, wenn das Verhältnis der Rabi-Frequenzen dem Liouville-Ausnahmepunkt (LEP) entsprach.
Hui Jing, ein Physiker an der Hunan Normal University in China, stellt fest, dass der Relaxationspfad des Quanten-sME den LEP beinhaltet, wo sich der Eigenwert des dynamischen Generators von real zu komplex ändert. Diese Arbeit bietet eine alternative Methode zur Erhöhung der Ionenkühlraten und zur Verbesserung der Quantenbatterieeffizienz. Zukünftige Forschung wird sich auf das Verhalten des Quanten-Mpemba-Effekts am LEP konzentrieren, was möglicherweise zu noch schnelleren Zerfallsraten führt.