Físicos demonstram efeito Mpemba inverso em escala quântica com íons únicos presos

Uma equipe de físicos do Instituto de Ciências Weizmann em Israel demonstrou com sucesso o efeito Mpemba inverso no nível quântico usando íons aprisionados individuais. Em seu estudo, publicado no periódico Cartas de revisão física, o grupo demonstrou o efeito capturando um íon estrôncio-88 acoplado a um banho térmico externo.

É bem sabido que, sob certas circunstâncias, um líquido quente congela mais rápido do que um frio. Esse fenômeno foi estudado por um estudante do ensino médio da Tanzânia chamado Erasto Mpemba na década de 1960. Ele conduziu vários experimentos para mostrar sob quais circunstâncias isso teria efeito; por isso, o fenômeno agora é chamado de efeito Mpemba.

Infelizmente, apesar do estudo de muitos grupos de cientistas, ainda não é bem compreendido, embora tenha sido descoberto que, em circunstâncias diferentes, um efeito Mpemba inverso também ocorre, no qual a água fria esquenta mais rápido do que a água quente. Neste novo esforço, a equipe de pesquisa demonstrou que tais efeitos podem ocorrer na escala quântica.

O trabalho da equipe envolveu a captura de um único íon de estrôncio-88 em um banho externo. O íon foi primeiro resfriado (ou aquecido) usando lasers e então deixado interagir com o banho morno (ou frio), que foi aquecido (ou resfriado) usando um segundo laser, resultando em decoerência lenta de seu estado quântico.

A equipe descreveu o íon em seu estado final como estando em seu caminho de relaxamento, porque era o estado em que ele teria se estabilizado eventualmente se o banho não tivesse sido aquecido ou resfriado — um caminho que não era termicamente linear, eles observam, porque era um sistema quântico e não um sistema clássico.

Ao variar a temperatura do íon e de seu banho, a equipe conseguiu demonstrar que, em algumas circunstâncias, o íon conseguia atingir seu caminho de relaxamento mais quente mais rápido quando iniciava sua jornada em um estado mais frio do que quando iniciava em um estado mais quente — um exemplo do efeito Mpemba inverso.

A equipe de pesquisa usa uma analogia de um ônibus escolar para explicar por que seu experimento funcionou da maneira que funcionou: considere um motorista de ônibus que só consegue terminar de dirigir sua rota quando a última criança desce, uma situação na qual ele é limitado pela velocidade da criança mais lenta no ônibus.

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