Mpemba etkisine göre sıcak bir sıvı soğuk bir sıvıdan daha hızlı donar. Üç çalışma bu etkinin kuantum versiyonlarını inceleyerek kuantum termodinamiği bilgimizi test etmektedir.
Mpemba etkisi, bu geleneksel olguya verilen isimdir. Bu klasik ve kuantum fenomenlerinin nasıl bağlanacağı hala açık bir konudur. Sıcak su, belirli koşullar altında soğuk sudan daha hızlı donabilir. 1960’larda bu fenomeni ilk kez tanımlayan Tanzanyalı lise öğrencisi Erasto Mpemba’dan sonra bu fenomene Mpemba etkisi adı verilmiştir. Neredeyse iki bin yıldır bu fenomen hararetli tartışmalara yol açmıştır ve hala da açmaktadır.
Mikroskobik dünya, bir sistemin başlangıçta dengeden daha uzak olması durumunda dengeye daha hızlı bir şekilde gevşediği benzer dinamikleri aktif olarak araştırmaktadır.
Üç araştırma grubu şu anda Mpemba benzeri etkilerin kuantum versiyonları hakkında farklı bakış açıları sunmakta ve başlangıç koşullarının, küçük kuantum dalgalanmalarının ve güçlü parçacıklar arası korelasyonların bu gevşeme süreçleri üzerindeki etkisini vurgulamaktadır.
Ekiplerin kuantum termodinamiği araştırması, motorlar ve bilgi işlemcileri gibi kuantum kaynak destekli teknoloji için sonuçlara sahip olabilir. Fizikçiler, makroskopik (klasik) gözlemlerden temel mikroskopik (kuantum) süreçleri çıkarmak için yukarıdan aşağıya taktikler kullanırlar.
Tarihsel olarak, Mpemba etkisinin araştırılması mikroskobik alana ilişkin ampirik verilerden ve spekülatif hipotezlerden kaynaklanmıştır.
Aristo ve Descartes’ın açıklamalarına ve Mpemba’nın daha yeni dikkatini çekmesine rağmen bu fenomenin termodinamik üzerinde bir etkisi olmamıştır.
Mpemba etkisinin kesin olarak tanımlanması zordur, tekrarlanabilirlikle ilgili sorunları vardır ve karmaşıktır. Deneysel veriler ve teoriler bir uzlaşmaya varılmadan onlarca yıldır tartışıldığı için etki genellikle sadece bir merak olarak görünür.
Fizikçiler, Mpemba etkisini ve diğer gevşeme süreçlerini araştırmak için ilgilenilen sistem için sıcaklık gibi bir değer belirler ve sistemin bir dış ortamla etkileşime girdiği zamanın bir fonksiyonu olarak kaydederler. Dengeye giden iki yoldan daha hızlı olanın dengeden daha uzakta başlayanı olup olmadığını tespit etmek için bu ilişki, sistemin bir başlangıç durumundan diğerine geçiş hızını ölçer.
Araştırmacılar birkaç yıl önce, belirli teorik modellere uygun olarak, bir kolloidal sistemin daha yüksek bir sıcaklıkta başlaması halinde üstel olarak daha hızlı soğuyabileceğini keşfettiklerinde önemli bir ilerleme kaydettiler. Araştırmacılar, yukarıdan aşağıya yaklaşımı güçlendiren bu çalışma sonucunda Mpemba etkisinin sadece ilginç bir fenomen değil, daha ziyade çeşitli anormal gevşeme olayları için bir arketip olduğu sonucuna vardılar.
Son yıllarda, Mpemba benzeri etkilerin kuantum versiyonlarını analiz etmek için iki aşağıdan yukarıya yaklaşım, ek araştırmaları tetikleyen ve kuantum denge dışı dinamikler çerçevesine dayanan teorik tahminlerin geliştirilmesine yol açan bu yorumların bir sonucu olarak ortaya çıkmıştır.
İlk ve en temel aşağıdan yukarıya yöntemi, kapalı çok cisimli sistemin tüm üniter (tersinir) dinamiklerini dikkate alır. Burada, alt sistemler arasındaki kuantum dalgalanmaları ve dolaşıklığın, alt sistem gözlemlenebilirleri izlenirken termodinamik özelliklerin ortaya çıkmasına neden olması beklenir. Bu durumda, bir alt sistemin başlangıçtaki simetri kırılmasının arttığı ve simetri restorasyonunun hızlandığı sıfır sıcaklıkta anormal bir gevşeme süreci gerçekleşebilir. Dolaşıklık asimetrisi olarak bilinen bir ölçü, simetri bozulmasının kapsamını ölçmek için kullanılabilir. İkinci aşağıdan yukarıya yöntem, çok cisim tanımlarının karmaşıklığı olmadan etkili alt sistem dinamiklerini yakalar.
Bu durumda, tüm sistem belirli bir çevreye ve birbiriyle etkileşim içinde olan açık bir ilgi sistemine ayrılır. Dolanıklık, açık sistemin dinamik davranışının sistemin genel geçmişinden etkilendiği Markovian olmayan dinamikler (bir sistemin geçmişine bağlı olanlar) için hafıza etkileri olarak ortaya çıkar.
Bu koşullar kuantum Mpemba benzeri fenomenlerin gelişimine elverişlidir. Açık sistemin başlangıç koşullarının gevşeme süreçlerinde önemli bir rol oynaması ve bu hafıza etkilerinin olmadığı Markov dinamikleri durumunda bile kuantum Mpemba benzeri etkilerin gözlemlenebileceği öngörülmektedir. Araştırmacılar bu tür kuantum davranışlarının olgusal kanıtlarını nasıl toplayabilirler?
1950’de yüksek hassasiyetli atom saatlerinin oluşturulması, sonunda tuzaklanmış iyon platformunun ortaya çıkmasına neden olan önemli teknolojik gelişmelerin başlangıcını işaret etti. Bu platform, ultra yüksek vakumlu odalarda tek tek iyonları askıya alarak kesintileri azaltır ve böylece temel süreçlerin gözlemlenmesi için zemin hazırlar. Bu platformun tasarlanmış iletişim kanalları okuma, manipülasyon ve durum hazırlamaya izin verir.
Günümüzde kuantum dinamikleri, süper iletken kübitler, kuantum noktaları ve ultra soğuk atomlar dahil olmak üzere çeşitli alternatif deney platformları kullanılarak incelenmekte ve teorik tahminlerle karşılaştırılmaktadır. Sonuç olarak, üç yeni araştırma kuantum Mpemba benzeri etkileri test etmek için mükemmel koşullara sahiptir. Bu nispeten basit kurulum, özellikle bilgi işlemeyle ilgili temel fizik kavramlarını göstermek için iyi çalışır. Bir tür ters kuantum Mpemba benzeri etkide, araştırmacılar spin daha düşük bir sıcaklıkta başladığında iyonun spininin çevre ile termal dengeye daha hızlı ulaştığını gösterdiler.
Araştırmacılar, belirli alt sistemlere bakarak başka bir tür kuantum Mpemba benzeri etki gösterdiler ve iyonların spinlerinin başlangıçta simetrik durumlarından daha uzak olduklarında simetrilerini daha hızlı geri kazandıklarını buldular. Bu çalışmada rastgele değerlendirmeler ve gelişmiş veri seçme yöntemleri kullanıldı. Alt sistem dengesine dair daha somut kanıt sağlamak amacıyla, daha önce bildirilen dolanıklık-asimetri ölçüsü genişletildi ve ek bir ölçü kullanıldı. Bu nedenle, bu çalışma denge, kuantum dalgalanmaları ve dolanıklık arasındaki karmaşık etkileşimleri vurgular.
Bulguları, kapalı kuantum sistemlerinde anormal gevşeme süreçlerinin ortaya çıktığını gösterdi . Araştırmacılar, kuantum dalgalanmalarının bu süreçleri temsili örneklerde nasıl etkilediğini araştırarak kuantum Mpemba benzeri etkileri düzenleyen yasalara ışık tuttular. Bu oluşumların sezgisel olarak anlaşılması için bir temel sağlamanın yanı sıra, bu analiz deneysel bulgular ile teorik beklentiler arasındaki boşlukları dolduruyor ve önceki araştırmaları destekliyor.
Her şey düşünüldüğünde, bu üç araştırma kuantum termodinamiği ve gevşeme mekanizmaları hakkında büyüleyici bakış açıları sunmaktadır. Bu alan geliştikçe araştırmacıların üniter ve açık sistem teknikleri arasında benzerlikler keşfedecekleri umulmaktadır.
Dolaşıklık, kuantum dalgalanmaları, bellek etkileri, başlangıç durumları, alt sistem seçimleri ve denge arasındaki etkileşimleri daha iyi anlamak için yakında çeşitli kuantum platformları üzerinde daha fazla çalışma yapılması beklenmektedir. Bu tür araştırmalar kuantum termodinamiği için sağlam bir temel oluşturabilir ve enerji depolama ve bilgi işlem gibi alanlarda yeni teknolojilerin geliştirilmesini teşvik edebilir.
Ancak, fizikçiler temel süreçlerin bir buzdolabının sıcak suyu soğutma yeteneğini nasıl etkilediğini ne zaman daha iyi anlayacaklar?
Kaynak: physics.aps.org/articles/v17/105
