ペンバ効果の統一理論を構築~熱的緩和現象の新たな理論枠組み~

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2025-03-12 京都大学

ペンバ効果の統一理論を構築~熱的緩和現象の新たな理論枠組み~

(左)従来のペンバ効果の理論では、全変動距離やカルバック・ライブラー発散など、特定の距離測定法を用いて緩和速度を定量化する。(右)本研究では、熱的マジョライゼーションに基づくペンバ効果を提案し、すべての距離測定法を同時に活用して緩和の傾向を包括的に評価する新たな枠組みを構築する。

京都大学基礎物理学研究所のVu Tan Van准教授と早川尚男教授らの研究グループは、ペンバ効果と呼ばれる熱的緩和現象を統一的かつ厳密に定量化する新たな理論枠組みを構築しました。 ペンバ効果とは、高温の物質が低温の物質よりも速く冷却される、直感に反する現象です。従来、この効果の有無は特定の距離測定法に依存して判定されていましたが、測定法の選択により結果が異なるという課題がありました。本研究では、「熱的マジョライゼーション」という数学的手法を導入し、異なる測定法に依存しない統一的な理論枠組みを開発しました。これにより、ペンバ効果の評価が特定の測定法に依存せず、すべての測定法を同時に考慮した場合と等価であることを示しました。さらに、ペンバ効果が特定の温度範囲に限定されず、広範な温度領域で発生しうることを明らかにしました。この枠組みは、古典系や量子系などのさまざまな熱的緩和過程にも適用可能であり、非平衡物理学の新たな視点を提供します。今後、この理論を基にした実験的検証が進めば、熱的緩和現象の理解がさらに深まり、熱機関や量子コンピュータなどの分野への応用も期待されます。

<関連情報>

熱変成ムペンバ効果 Thermomajorization Mpemba Effect

Tan Van Vu and Hisao Hayakawa
Physical Review Letters  Published: 10 March, 2025
DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.107101

Abstract

The Mpemba effect is a counterintuitive physical phenomenon where a hot system cools faster than a warm one. In recent years, theoretical analyses of the Mpemba effect have been developed for microscopic systems and experimentally verified. However, the conventional theory relies on a specific choice of distance measure to quantify relaxation speed, leading to several theoretical ambiguities. In this Letter, we derive a rigorous quantification of the Mpemba effect based on thermomajorization theory, referred to as the thermomajorization Mpemba effect. This approach resolves all existing ambiguities and provides a unification of the conventional Mpemba effect across all monotone measures. Furthermore, we demonstrate the generality of the thermomajorization Mpemba effect for Markovian dynamics, rigorously proving that it can occur in any temperature regime with fixed energy levels.

1700応用理学一般
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