中国科大实现能量朗之万系统的姆潘巴效应实验研究

中国科学技术大学物理学院、中国科学院量子信息重点实验室孙方稳教授团队利用真空光悬浮纳米颗粒作为微观非平衡热力学研究平台，成功实现了能量朗之万系统姆潘巴效应的实验研究验证。相关成果以”Experimental study of Mpemba effect in an energy Langevin system”为题，于2025年10月22日以Letter形式正式发表在国际物理期刊《Physical Review Research》上。

姆潘巴效应是指系统处于高温状态下更快达到低温的现象。该现象违背直觉认知却被发现存在于许多系统中。诸多理论研究讨论了姆潘巴效应的成因以及影响因素。然而，对于朗之万系统，特别是无法用空间坐标描述的能量朗之万系统的姆潘巴效应，实验研究较为缺乏。

孙方稳课题组利用真空光镊实现了能量朗之万系统中姆潘巴效应的实验研究。基于真空光镊出色的能量操控能力，粒子能量等效势阱可被任意构建。我们测量了粒子在能量等效势阱为非对称双势阱时的能量弛豫过程，并观察到姆潘巴效应。我们进一步分析了姆潘巴效应的成因：不同温度下，能量弛豫路径不同。在较低温度下，粒子先弛豫到局部平衡态再势垒跃迁达到最终最低温平衡态，而高温下无需势垒跃迁即可达到全局平衡态，导致了高温下更快达到平衡态。此外，我们定量测量了不同势垒高度对姆潘巴效应的影响。势垒高度越高，姆潘巴效应越明显。实验测量结果符合理论曲线。

本研究为微观热力学能量动力学和能量朗之万系统研究搭建了良好的实验平台。对姆潘巴效应的相关研究有望增强微观热机的效率，促进生物分子结构相变模拟热力学路径调控等研究。

论文第一作者为中国科学技术大学博士后田原，通讯作者为郑瑜副研究员与孙方稳教授。该研究获国家自然科学基金及青年科学家挑战等项目支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/5p4l-1515