L'effet MPEMBA est un phénomène physique intrigant qui fait que certains systèmes se refroidissent plus rapidement lorsqu'ils sont chauds que lorsqu'ils sont chauds ou plus froids. Cet effet a été observé dans divers systèmes, y compris l'eau, qui se fige parfois plus rapidement lorsqu'il est chaud que lorsqu'il fait froid.
Bien qu'il soit maintenant bien documenté, l'effet MPEMBA reste mal compris d'un point de vue théorique. Cela est dû en partie aux méthodes que les théories physique conventionnelles offrent pour quantifier la vitesse avec laquelle un système se détend (c'est-à-dire sa vitesse de relaxation).
Des chercheurs de l'Université de Kyoto ont récemment conçu une nouvelle approche rigoureuse et unifiée pour quantifier l'effet MPEMBA. Le critère qu'ils ont conçu, présenté dans Lettres d'examen physiqueest enraciné dans la théorie de la thermomajorisation, un cadre mathématique pour comparer le trouble (c.-à-d. Entropie) entre différents états thermodynamiques.
« L'effet MPEMBA – le phénomène contre-intuitif où un système plus chaud refroidit plus vite qu'un plus froid – a fasciné les scientifiques pendant des décennies », a déclaré à Tan Van Vu, co-auteur du journal, à Issues.fr.
« Malgré de récentes études théoriques et expérimentales récentes, un défi fondamental est resté: la détection de cet effet dépend du choix d'une mesure de distance spécifique utilisée pour évaluer la vitesse de relaxation.
Vu et son collègue Hisao Hayakawa ont conçu une approche unifiée pour quantifier l'effet MPEMBA sans s'appuyer sur une mesure de distance spécifique, empêchant ainsi les ambiguïtés rapportées dans la littérature précédente. En fin de compte, ils ont introduit l'effet MPEMBA de thermomajorisation, un critère rigoureux pour déterminer l'occurrence de l'effet MPEMBA dans le temps fini, quelle que soit les distances classiques utilisées pour mesurer la vitesse de relaxation.
« L'effet Thermomajorisation Mpemba fournit un moyen rigoureux et unifié de quantifier l'effet MPEMBA en considérant simultanément toutes les mesures de distance monotone possibles – celles qui n'augmentent pas avec le temps – pour évaluer la vitesse de relaxation », a expliqué VU. « Cette approche élimine les ambiguïtés des méthodes conventionnelles, qui reposent sur le choix d'une seule mesure. »
Les chercheurs ont montré que l'effet MPEMBA de thermomajorisation est équivalent à la survenue de l'effet MPEMBA dans un délai fini pour toute mesure monotone. Cela signifie qu'il fournit un moyen de caractériser régulièrement et généralement l'effet MPEMBA, du moins pour tous les processus stochastiques markoviens classiques.
« Pour quantifier cet effet, nous utilisons la théorie de la thermomajorisation, un cadre mathématique largement utilisé dans la physique statistique et la thermodynamique quantique », a déclaré Vu. « Ce cadre nous permet de déterminer si un système plus chaud se détend à l'équilibre plus rapidement qu'un plus froid d'une manière indépendante d'une mesure de distance particulière. »
Le nouveau critère conçu par cette équipe de recherche pourrait bientôt ouvrir la voie à de nouvelles explorations de l'effet MPEMBA intrigant, qui n'est toujours pas entièrement compris. Notamment, en utilisant leur critère, VU et Hayakawa ont également montré que l'effet MPEMBA n'est pas limité à des températures spécifiques mais peut émerger à n'importe quelle température.
« Étant donné que la relaxation thermique joue un rôle fondamental dans de nombreux systèmes physiques et applications technologiques, nous prévoyons que nos résultats auront des implications plus larges au-delà de la physique théorique », a déclaré Vu. « Par exemple, nos résultats pourraient aider l'optimisation des processus thermiques tels que l'accélération de la dynamique de relaxation dans les moteurs thermiques, les technologies de réfrigération et même l'informatique quantique, où l'initialisation rapide des états quantiques est cruciale. »
Jusqu'à présent, VU et Hayakawa se sont concentrés sur l'atteinte de quantifications basées sur la distribution de probabilité de l'effet MPEMBA dans les processus stochastiques classiques. Cependant, l'approche utilisée dans leur étude récente pourrait éventuellement être étendue à d'autres systèmes, tels que les systèmes quantiques ouverts décrits par les équations maîtres quantiques (par exemple, la soi-disant équation Lindblad).
« Dans nos futures études, nous pouvons également explorer les généralisations aux systèmes non markoviens », a ajouté VU. «À l'avenir, une direction passionnante consiste à étudier la relation entre notre approche et les quantifications basées sur l'énergie, ce qui pourrait fournir des informations plus approfondies sur les mécanismes physiques fondamentaux qui sous-tendent l'effet.
« Une autre question ouverte intrigante est: quel est l'échelle de temps minimum dans laquelle l'effet de mPEMBA de thermomajorisation peut se produire? Enquêter sur cette question à travers la perspective des limites de vitesse pourrait aider à établir des contraintes fondamentales sur la dynamique de relaxation. »
