En 1963, un estudiante de secundaria en Tanzania, Erasto Mpemba, observó algo sorprendente mientras intentaba hacer helado en su clase de cocina: el agua caliente parecía congelarse más rápido que el agua fría (una característica digna de estar en la lista de curiosidades sobre el agua). Este descubrimiento, inicialmente recibido con escepticismo, dio lugar a lo que hoy conocemos como el efecto Mpemba, un fenómeno fascinante y aún poco entendido en física clásica. Décadas después, científicos han dado un paso revolucionario al demostrar una versión cuántica de este efecto, llamada efecto Mpemba fuerte cuántico (sME, por sus siglas en inglés).
Un reciente estudio publicado en Nature Communications describe cómo un equipo internacional logró observar este efecto utilizando un único 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 a esta versión cuántica tan especial?
El origen del efecto Mpemba
Aunque Erasto Mpemba popularizó este fenómeno en 1963, hay registros históricos que sugieren que ya era conocido desde la antigüedad, incluso por Aristóteles. Sin embargo, no fue hasta el siglo XX que científicos comenzaron a investigarlo sistemáticamente. En su versión clásica, el efecto Mpemba ocurre porque el agua caliente, bajo ciertas condiciones, pierde calor más rápidamente que el agua fría al enfriarse.
La causa exacta del efecto Mpemba clásico sigue siendo objeto de debate. Se han propuesto múltiples explicaciones, como la evaporación acelerada, diferencias en la estructura molecular del agua o la influencia de impurezas. Sin embargo, lo que lo hace especialmente interesante es su carácter contraintuitivo: la temperatura inicial no siempre determina un enfriamiento más lento.
Erasto Mpemba: El estudiante que desafió a la ciencia convencional
Erasto Bartholomeo Mpemba (1950–2023) fue un guardabosques tanzano cuyo nombre quedó grabado en la historia de la ciencia gracias a la observación que realizó siendo 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 desde los contextos más inesperados. Fue invitado a conferencias 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. Osborne, formalizando el efecto Mpemba como un área legítima de estudio. Su contribución subraya la importancia de cuestionar las ideas preestablecidas y valorar la curiosidad científica, sin importar de dónde provenga.
La transición del efecto clásico al cuántico
El efecto Mpemba clásico se centra en procesos térmicos, pero su versión cuántica se basa en la dinámica de relajación. En un sistema cuántico, “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 el modo de decaimiento más lento (SDM). Sin embargo, en el efecto Mpemba fuerte cuántico, es posible preparar un estado inicial que evite por completo este modo lento, lo 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 permite observar el efecto Mpemba fuerte en un sistema cuántico es diseñar un estado inicial óptimo que prohíba la excitación del modo de decaimiento más lento”.
Diseño y resultados del experimento
Para demostrar el efecto Mpemba fuerte cuántico, los investigadores utilizaron un sistema compuesto por un único ion de calcio atrapado, operando en tres niveles de energía: un estado base |0⟩ y dos estados excitados |1⟩ y |2⟩. Mediante el uso de láseres con frecuencias precisas, lograron controlar tanto los saltos entre estos niveles como las dinámicas de relajación del sistema.
Un aspecto clave del experimento fue el uso de un láser adicional para crear un canal de decaimiento ajustable. Esto permitió a los científicos preparar un estado inicial con una superposición cuántica específica que evitaba la contribución del SDM. Los resultados mostraron claramente una relajación exponencialmente más rápida para este estado inicial, en comparación con estados iniciales normales.
Por otra parte, el experimento reveló la existencia de un punto crítico conocido como punto excepcional liouvilliano (LEP). Según los investigadores, “el LEP marca el límite entre el efecto Mpemba fuerte y débil, y representa la coalescencia de las tasas de decaimiento y los modos asociados en un único valor”.
Aplicaciones y perspectivas futuras
El descubrimiento del efecto Mpemba fuerte cuántico no solo representa un avance teórico, sino que también tiene implicaciones prácticas significativas en tecnologías cuánticas. Por ejemplo, en el contexto de la computación cuántica, podría utilizarse para acelerar la preparación de estados cuánticos o para mejorar la eficiencia de 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.
Por último, los investigadores señalaron que sus métodos, como las transformaciones unitarias y las mediciones de superposición, podrían ser herramientas valiosas para evaluar la calidad de sistemas cuánticos en otras áreas de la física.
Referencias
- E. B. Mpemba y D. G. Osborne, Cool?, Physics Education, vol. 4, pp. 172–175, 1969. DOI: 10.1088/0031-9120/4/3/312.
- ie Zhang, Gang Xia, Chun-Wang Wu, Ting Chen, Qian Zhang, Yi Xie, Wen-Bo Su, Wei Wu, Cheng-Wei Qiu, Ping-Xing Chen, Weibin Li, Hui Jing & Yan-Li Zhou. Observation of quantum strong Mpemba effect. Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-024-54303-0.
Cortesía de Muy Interesante
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