Effetto Mpemba Quantistico Verificato Sperimentalmente: Accelerazione del Rilassamento nei Sistemi Quantistici

Ricercatori provenienti da Cina, Gran Bretagna e Singapore hanno dimostrato sperimentalmente l'effetto Mpemba quantistico, mostrando che specifiche condizioni iniziali possono accelerare il rilassamento nei sistemi quantistici. Questo fenomeno rispecchia l'effetto Mpemba classico, dove, paradossalmente, l'acqua calda può raffreddarsi più velocemente dell'acqua fredda in determinate condizioni.

I risultati del team, pubblicati su Nature Communications, hanno coinvolto l'uso di singoli ioni intrappolati per accelerare esponenzialmente il rilassamento di uno stato puro in uno stato stazionario. Questa è una caratteristica chiave del forte effetto Mpemba (sME). La ricerca fornisce strategie per progettare e analizzare sistemi quantistici aperti, potenzialmente a vantaggio delle batterie quantistiche e di altre tecnologie.

Lo studio evidenzia che il tasso di decadimento di un sistema in uno stato sME è maggiore di altri, sottolineando l'influenza delle condizioni iniziali sulla velocità di equilibrio. Mentre i sistemi classici sono descritti dall'equazione di Fokker-Planck con la temperatura come variabile chiave, i sistemi quantistici seguono l'equazione master di Lindblad, dove l'energia dello stato sME è cruciale.

I ricercatori hanno creato uno stato puro con sovrapposizione zero con la modalità di decadimento più lenta (SDM) intrappolando uno ione Ca e accoppiando tre livelli di energia utilizzando interazioni laser. Sintonizzando le frequenze di Rabi, hanno osservato diversi regimi di rilassamento. La transizione da sME a ME debole si è verificata quando il rapporto tra le frequenze di Rabi era uguale al punto eccezionale di Liouville (LEP).

Hui Jing, un fisico dell'Università Normale dell'Hunan in Cina, osserva che il percorso di rilassamento del sME quantistico include il LEP, dove l'autovalore del generatore dinamico cambia da reale a complesso. Questo lavoro offre un metodo alternativo per aumentare i tassi di raffreddamento degli ioni e migliorare l'efficienza delle batterie quantistiche. La ricerca futura si concentrerà sul comportamento dell'effetto Mpemba quantistico al LEP, portando potenzialmente a tassi di decadimento ancora più rapidi.