Già Aristotele sapeva che l'acqua calda congela più velocemente di quella fredda. Questa sorprendente osservazione rimase poco studiata fino al 1963, quando Erasto B. Mpemba, uno studente liceale della Tanzania, scoprì accidentalmente la stessa cosa mentre preparava un gelato a scuola. Il fenomeno notato da Aristotele e Mpemba, oggi noto come effetto Mpemba, sembra essere molto controintuitivo e in disaccordo con alcune leggi fisiche consolidate. Tuttavia queste leggi, così come la nostra intuizione, sono valide solo in prossimità dell'equilibrio termico, mentre l'effetto Mpemba è un fenomeno fuori dall’equilibrio e per questo, impossibile da verificarsi se si rimane in prossimità dell'equilibrio. Dalla sua riscoperta da parte di Mpemba, questo effetto è stato oggetto di numerose indagini sperimentali, numeriche e analitiche che hanno coinvolto, tra gli altri, polimeri, vetri di spin e atomi freddi. Nonostante l'enorme attività di ricerca, le condizioni per osservare questo fenomeno e il meccanismo che spiega perché si verifica sono ancora oggetto di dibattito.
In un nuovo lavoro pubblicato su Nature Communications, i ricercatori della SISSA guidati da Pasquale Calabrese, hanno trovato una versione quantistica dell'effetto Mpemba. La configurazione che i ricercatori hanno studiato è molto comune nella fisica fuori equilibrio ed è chiamata quench globale. Filiberto Ares e Sara Murciano, due giovani autori della ricerca, spiegano: “Prendiamo un sistema quantistico a molti corpi (una catena di spin) in uno stato che rompe una particolare simmetria e cambiamo improvvisamente uno dei suoi parametri in modo che il sistema evolva nel tempo ripristinando dinamicamente la simmetria rotta. Sorprendentemente, scopriamo che, per una grande varietà di catene di spin, più la simmetria è rotta inizialmente, più velocemente viene ripristinata. Poiché questo fenomeno si verifica allo zero assoluto ed è indotto dall'entanglement, la principale caratteristica della meccanica quantistica, lo chiamiamo effetto “Mpemba quantistico”. Per studiarlo, introduciamo una nuova grandezza che misura quanto una simmetria è rotta in una parte del sistema: l'asimmetria di entanglement. Con essa possiamo studiare quantitativamente l'effetto Mpemba quantistico, non solo teoricamente con carta e penna come abbiamo fatto noi, ma anche sperimentalmente in laboratorio. La rottura della simmetria è fondamentale nella fisica moderna, ad esempio per spiegare le fasi della materia o la generazione della massa”.
L'asimmetria dell'entanglement apre una nuova strada per comprendere e svelare i fenomeni fisici legati alla rottura della simmetria utilizzando gli strumenti sviluppati per studiare l'entanglement quantistico. Finora ha mostrato il suo potenziale dando… un tocco quantistico alla connessione tra Aristotele e i gelati.
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