Gefriert heißes Wasser schneller als kaltes Wasser? Untersuchung des Mpemba-Effekts

Gefriert heißes Wasser schneller als kaltes Wasser? Möglicherweise war Aristoteles der Erste, der sich mit dieser Frage beschäftigte, die später als Mpemba-Effekt bekannt wurde.

Dieses Phänomen bezog sich ursprünglich auf die nichtmonotone Abhängigkeit der Anfangszeit des Gefrierbeginns von der Temperatur, wurde jedoch in verschiedenen Systemen – einschließlich Kolloiden – beobachtet und ist auch als mysteriöses Relaxationsphänomen bekannt geworden, das von den Anfangsbedingungen abhängt.

Bisher haben jedoch nur sehr wenige den Effekt in Quantensystemen untersucht.

Nun hat ein Forscherteam der Universität Kyoto und der Universität für Landwirtschaft und Technologie Tokio gezeigt, dass der Temperaturquanten-Mpemba-Effekt über einen weiten Bereich von Anfangsbedingungen realisiert werden kann.

Ihre Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchung.

„Der Quanten-Mpemba-Effekt trägt die Erinnerung an Anfangsbedingungen, die zu späteren Zeiten zu einer anomalen thermischen Entspannung führen“, erklärt Projektleiter und Co-Autor Hisao Hayakawa vom Yukawa Institute for Theoretical Physics der KyotoU.

Hayakawas Team stellte zwei Systeme mit Quantenpunkten her, die mit einem Wärmebad verbunden waren, eines mit fließendem Strom und das andere im Gleichgewichtszustand. Beide wurden auf einen Gleichgewichtszustand bei niedriger Temperatur abgeschreckt, sodass das Team ihre zeitliche Entwicklung hin zu einem stationären Zustand hinsichtlich der Dichtematrix, der Energie, der Entropie und – am wichtigsten – der Temperatur verfolgen konnte.

„Als sich die beiden Kopien kreuzten, bevor sie denselben Gleichgewichtszustand erreichten – so dass der heißere Teil kälter wurde und umgekehrt in einer Identitätsumkehr – wussten wir, dass wir den thermischen Quanten-Mpemba-Effekt erreicht hatten“, sagt Co-Autor Satoshi Takada von TUAT .

„Nach der Analyse der Quanten-Master-Gleichung stellten wir auch fest, dass wir den thermischen Quanten-Mpemba-Effekt in einer Vielzahl von Parametern erhalten hatten, darunter Reservoirtemperaturen und chemische Potenziale“, fügt Erstautor und korrespondierender Autor Amit Kumar Chatterjee, ebenfalls von KyotoU, hinzu.

„Unsere Ergebnisse ermutigen uns, die potenzielle Nutzung des Quanten-Mpemba-Effekts in zukünftigen Anwendungen über die thermische Analyse hinaus zu untersuchen“, reflektiert Hayakawa.