Der Mpemba-Effekt gehört zu den erstaunlichsten Phänomenen der Physik: Unter bestimmten Bedingungen kühlt heißes Wasser schneller ab als kaltes. Seit Jahrzehnten rätseln Forschende darüber, warum das so ist. Inzwischen konnte der Effekt für viele weitere Materialien beobachtet werden. Ein irisch-deutsch-amerikanisches Forschungsteam zeigt in einer neuen Arbeit, dass dieser Effekt kein isoliertes Kuriosum ist, sondern Teil eines größeren Musters. Unter dem Dach der sogenannten Ressourcentheorie vereinigt es klassische und quantenmechanische Erklärungsansätze. Damit liefert die Arbeit, die im Fachmagazin »Physical Review X« veröffentlicht wurde, einen übergreifenden Mechanismus. Er hilft vorauszusagen, wann Systeme, egal ob klassisch oder quantenmechanisch, besonders schnell entspannen. Das eröffnet neue Möglichkeiten, solche ultrakurzen Relaxationsprozesse gezielt zu steuern.

Benannt ist der Mpemba-Effekt nach Erasto Mpemba, einem tansanischen Teenager, der zusammen mit dem Physiker Denis Osborne in den 1960er-Jahren die ersten systematischen Studien dazu durchführte. Er hatte zusammen mit Mitschülern Eiscreme machen und nicht warten wollen, bis die Mischung aus gekochter Milch und Zucker auf Raumtemperatur abgekühlt war. Also stellte er sie heiß ins Gefrierfach. Erstaunlicherweise war sein Eis nach anderthalb Stunden gefroren, während das seiner geduldigeren Klassenkameraden ein dickflüssiger Brei blieb. Warum das so war, blieb lange ein Mysterium, da es in Folgeversuchen nicht gelang, dieses Ergebnis konsequent zu wiederholen.

In den vergangenen Jahren haben Wissenschaftler ähnliche »Mpemba‑Effekte« in einer ganzen Reihe unterschiedlichster Materialien entdeckt: von kristallisierenden Polymeren bis hin zu Manganitmineralen, die in einem Magnetfeld abkühlen. Inzwischen hat sich gezeigt, dass dieses überraschende Verhalten weit über die klassische Thermodynamik hinausreicht und auch in der Quantenwelt auftaucht, etwa bei einzelnen, mit Lasern eingefangenen Ionen. 2017 stellten Forscher aus Israel zudem fest, dass der Mpemba-Effekt auch umgekehrt funktioniert: Es gibt offenbar Situationen, in denen sich ein Material schneller aufwärmt, wenn man es zuvor abgekühlt hat. All diese Erkenntnisse helfen Forscherinnen und Forschern, die komplizierte Dynamik von Systemen zu verstehen, die sich nicht im Gleichgewicht befinden.

Konkrete Ideen für die Anwendung

Die Forschungsgruppe um John Goold vom Trinity College in Dublin hat nun etwas gefunden, was Goold selbst als den »einen Ring, sie alle zu binden« bezeichnet – ein theoretisches Rahmenwerk, das die vielen klassischen und quantenmechanischen Mpemba‑Effekte unter einen Hut bringt. Dafür hat sie ein Werkzeug aus der Quanteninformationstheorie übernommen, das beschreibt, wie Systeme sich entwickeln, wenn sie eine bestimmte Ressource verbrauchen.

Die Grundidee: Jedes System besitzt bestimmte »Ressourcen«, die während seines Wegs ins Gleichgewicht abgebaut werden – zum Beispiel thermische Energie, Symmetriebrüche oder Quantenkohärenz. Wie schnell dieser Abbau passiert, hängt davon ab, wie stark der Anfangszustand mit dem langsamsten, »träge reagierenden« Modus des Systems verknüpft ist.

»Bisher haben wir versucht, die Physik dahinter zu verstehen – warum, ob und wann der Effekt auftritt. Jetzt müssen wir anfangen, diese Physik auch zu nutzen«Sara Murciano, Physikerin

Ein System, das viele Ressourcen benötigt, etwa weil es stärkere Temperaturschwankungen enthält oder magnetische Asymmetrien, kann sein Ziel trotzdem schneller erreichen. Denn Systeme, die weit vom Gleichgewicht entfernt sind, folgen oft ganz anderen Regeln. Unter diesen Bedingungen können spezielle Startkonfigurationen auftreten, in denen sich die langsamsten Wege ins Gleichgewicht gegenseitig »auslöschen«. Dadurch kann das System seine Ressourcen ungewöhnlich schnell abbauen – und so rascher das Gleichgewicht erreichen als ein weniger extremer Zustand.

Physiker und Physikerinnen untersuchen bereits, wie Mpemba‑Effekte das Kühlen und Heizen effizienter machen könnten. Das ist allerdings nicht einfach: Um das Phänomen gezielt zu nutzen, müsste man alle möglichen Entwicklungswege eines Systems genau kartieren. Doch es gibt erste Ideen. So wurde bereits vorgeschlagen, dass sich die Rasterkraftmikroskopie verbessern ließe, indem man die Temperatur der winzigen Messspitze gezielt steuert. Möglicherweise lässt sich der Mpemba-Effekt auch in einem Festkörper‑Kühlsystem nutzen, um Quantenchips herunterzukühlen. »Bisher haben wir versucht, die Physik dahinter zu verstehen – warum, ob und wann der Effekt auftritt«, sagte die Physikerin Sara Murciano von der Université Paris-Saclay dem Fachmagazin »Science«. »Jetzt müssen wir anfangen, diese Physik auch zu nutzen.«