En 1963, un estudiante de secundaria en Tanzania, Erasto Mpemba, observó algo sorprendente mientras intentaba hacer congelado en su clase de cocina: El agua caliente parecía congelarse más rápido que el agua fría. (una característica digna de estar en el lista de curiosidades sobre el agua). Este descubrimiento, inicialmente recibido con escepticismo, dio origen a lo que hoy conocemos como el efecto mpembaun fenómeno fascinante y aún poco comprendido en la física clásica. Décadas más tarde, los científicos han dado un paso revolucionario al demostrar una versión cuántica de este efecto, llamada Efecto cuántico fuerte Mpemba (sME).
Un estudio reciente publicado en Comunicaciones de la naturaleza describe cómo un equipo internacional pudo observar este efecto utilizando un solo ion de calcio atrapado. Según los investigadores, este hallazgo abre nuevas puertas en el campo de la dinámica cuántica y podría tener aplicaciones prácticas en la tecnología cuántica. Pero ¿qué hace que esta versión cuántica sea tan especial?
Aunque Erasto Mpemba popularizó este fenómeno en 1963, existen registros históricos que sugieren que Ya era conocido desde la antigüedad.incluso por Aristóteles. Sin embargo, no fue hasta el siglo XX que los científicos comenzaron a investigarlo sistemáticamente. En su versión clásica, el efecto Mpemba se produce porque El agua caliente, bajo ciertas condiciones, pierde calor más rápidamente que el agua fría. al enfriar.
La causa exacta del efecto Mpemba clásico sigue siendo un tema de debate. Se han propuesto múltiples explicaciones, como la evaporación acelerada, las diferencias en la estructura molecular del agua o la influencia de las impurezas. Sin embargo, lo que lo hace especialmente interesante es su naturaleza contraintuitiva: La temperatura inicial no siempre determina un enfriamiento más lento..
Erasto Bartholomeo Mpemba (1950-2023) fue un guardabosques tanzano cuyo nombre quedó registrado en la historia de la ciencia gracias a la observación que hizo cuando era estudiante de secundaria y que comentamos en este artículo.
A lo largo de su vida, Mpemba se convirtió en un símbolo de cómo el conocimiento puede surgir de los contextos más inesperados. Fue invitado a congresos internacionales donde compartió su experiencia como estudiante que desafió la percepción científica convencional. En 1969, publicó un artículo en colaboración con el físico Denis G. Osborneformalizar el efecto Mpemba como un área legítima de estudio. Su contribución subraya la importancia de cuestionar ideas preestablecidas y valorar la curiosidad científica, venga de donde venga.
El efecto Mpemba clásico se centra en procesos térmicos, pero su versión cuántica se basa en dinámica de relajación. En un sistema cuántico, la “relajación” describe cómo el sistema vuelve a su estado de equilibrio después de una perturbación. Normalmente, este proceso está dominado por lo que se conoce como modo de caída más lenta (SDM). Sin embargo, en el fuerte efecto cuántico Mpemba, es posible preparar un estado inicial que evita este modo lento por completolo que resulta en una relajación exponencialmente más rápida.
Este avance fue predicho teóricamente en 2021 por Carollo y colaboradores, pero hasta ahora no se había demostrado experimentalmente. Según los autores del estudio, “el principio clave que nos permite observar el fuerte efecto Mpemba en un sistema cuántico es diseñar un estado inicial óptimo que prohíba la excitación del modo de desintegración más lento”.
Para demostrar el fuerte efecto cuántico de Mpemba, los investigadores utilizaron un sistema compuesto por un único ion de calcio atrapado, que opera en tres niveles de energía: un estado fundamental |0⟩ y dos estados excitados |1⟩ y |2⟩. Utilizando láseres con frecuencias precisas, lograron controlar tanto los saltos entre estos niveles como la dinámica de relajación del sistema..
Un aspecto clave del experimento fue el uso de un láser adicional para crear un canal de caída sintonizable. Esto permitió a los científicos preparar un estado inicial con una superposición cuántica específica que evitó la contribución del SDM. Los resultados mostraron claramente una relajación exponencialmente más rápida para este estado inicial.en comparación con los estados iniciales normales.
Por otro lado, el experimento reveló la existencia de un punto crítico conocido como Punto excepcional de Liouvillian (LEP). Según los investigadores, “el LEP marca el límite entre el efecto Mpemba fuerte y débil, y representa la fusión de las tasas de desintegración y los modos asociados en un solo valor”.
El descubrimiento del fuerte efecto cuántico Mpemba no sólo representa un avance teórico, sino que también ha Implicaciones prácticas significativas en las tecnologías cuánticas.. Por ejemplo, en el contexto de la computación cuántica, podría usarse para acelerar la preparación de estados cuánticos o para mejorar la eficiencia de los sensores cuánticos.
Este hallazgo también establece un puente entre dos áreas activas de investigación: el efecto Mpemba y la física no hermitiana. Esto, según los autores, podría inspirar nuevas investigaciones para explorar dinámicas cuánticas más complejas y encontrar aplicaciones en sistemas más grandes.
Finalmente, los investigadores señalaron que sus métodos, como las transformaciones unitarias y las mediciones de superposición, podrían ser herramientas valiosas para evaluar la calidad de los sistemas cuánticos en otras áreas de la física.
Fuente Informativa
