cero absoluto

Un laboratorio cuántico se parece a una cocina donde el cocinero espera un día entero a que se enfríe la placa. Los cúbits superconductores solo funcionan a temperaturas de centésimas de kelvin, y cada ciclo de “enfriar, medir, calentar” se come una jornada.

Un superconductor es un material en el que la electricidad fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. Pero si se comprime ligeramente, como un resorte, sus propiedades cambian. Los científicos llevaban tiempo queriendo medir cuánto calor absorbe un material así comprimido, pero los instrumentos no cabían en el reducido montaje.

Una computadora normal calcula haciendo circular cargas eléctricas por los cables. ¿Y se puede calcular con calor? Una red de tubos por los que circula agua caliente y fría puede realizar operaciones lógicas simples si se conectan los tubos en el orden adecuado.

Tira una piedra a un estanque y verás círculos en el agua. De manera similar, cualquier cuerpo, incluso el más pequeño, perturba el campo gravitatorio a su alrededor. En el vacío frío del espacio, estas perturbaciones, como ondas en una superficie tranquila, hacen que dos objetos cercanos siempre se repelan.

Un agujero negro tiene tres leyes, como un gas ideal. La primera: la energía no desaparece. La segunda: el área del horizonte de sucesos no disminuye. Y la tercera, la más caprichosa, exige que a temperatura cero la entropía (la medida del desorden) tienda a cero o a una constante universal.

El modelo estándar cosmológico se parece a una receta de pastel donde todo está estrictamente medido: la materia oscura es como harina sin grumos (presión cero), y la energía oscura es como un levadura perfecta (ecuación de estado estrictamente menos uno). Pero, ¿y si la harina está un poco húmeda y la levadura se ha vencido?

Todo comenzó con un estiramiento. En las primeras fracciones de segundo, el universo se infló —los físicos llaman a esto inflación. Luego, la expansión vertiginosa dio paso a una fase en la que la energía del campo se transformó en partículas ordinarias.

El río se bifurca. Un brazo es ancho y rápido; el agua fluye suavemente, pero al aumentar la temperatura la corriente se ralentiza: aparecen remolinos y olas. El segundo brazo es estrecho, con rápidos, donde el agua salta de piedra en piedra. Este flujo, por el contrario, se vuelve más vivo con el calor.

La superfluidez — ese estado en el que la materia fluye sin fricción — ha permanecido elusiva durante mucho tiempo en los condensados de Bose neutros de excitones.

El interior de un agujero negro está formado por capas, como una cebolla. En el nuevo modelo, en lugar de un punto infinito en el centro, hay tres regiones: un núcleo denso, una capa de transición y una corteza justo bajo el horizonte. Todas surgen de un único campo que interactúa consigo mismo.

Normalmente, la superconductividad es una historia de frío. Cuanto más baja la temperatura, más fácil que los electrones se emparejen y fluyan sin resistencia. Pero en un nuevo trabajo, los físicos cultivaron películas delgadas de niquelatos con una adición de europio y observaron el panorama inverso.

El Sol es un reactor nuclear gigante que nos envía luz y calor sin cesar. Pero también tiene otro correo, casi silencioso: cada segundo, decenas de miles de millones de neutrinos —partículas fantasma nacidas en el horno termonuclear— atraviesan un centímetro cuadrado de tu palma. La mayoría no deja ni rastro.

En el centro de muchas galaxias se esconde un halo invisible de materia oscura que mantiene a las estrellas en los bordes, impidiendo que se dispersen. Durante mucho tiempo se describió como un gas tenue de partículas, pero un nuevo trabajo propone una visión diferente: la materia oscura podría reunirse en una gota cuántica.

Una olla de agua siempre hierve igual: a cien grados, y salen burbujas. Con los líquidos cuánticos es distinto. Cuando una nube de átomos se enfría casi hasta el cero absoluto, puede convertirse en una única onda de materia: el condensado de Bose-Einstein.

Un agujero negro ordinario es como una estufa que calienta más cuanto menor es su masa. Un agujero diminuto debería incandescer a temperaturas inimaginables y evaporarse al instante.

Un rayo de luz se desliza a lo largo del horizonte de un agujero negro, esa frontera invisible de la que nada puede escapar. Cuanto más cerca está el rayo del horizonte, más lentamente transcurre su propio "tiempo", una medida especial del trayecto llamada parámetro afín.

Una sala abarrotada donde los bailarines se deslizan sin la menor fricción, atravesándose unos a otros sin tocarse. Eso es un líquido superfluido. En la corteza de una estrella de neutrones, los neutrones podrían comportarse así, pero una rígida red de iones se lo impide, como si de repente la pista de baile se llenara de postes muy juntos.

Una olla de agua en el fogón tarde o temprano se tranquiliza: la temperatura se iguala, el líquido deja de burbujear. Los físicos llaman a esto equilibrio térmico: un estado en el que la energía se reparte de la manera más probable.

Una olla de aluminio en la estufa se derrite a 660 grados Celsius, eso lo sabe cualquiera. Pero, ¿qué pasa si se calienta el aluminio cien veces más? El líquido empezará a hervir, y aquí comienza el enigma: ¿a qué temperatura exacta ocurre?

Un trozo de metal al rojo vivo en un horno es como una sartén en la cocina: cuanto más fuerte es el calor, más rápido se transmite a la mano si la tocas. Pero a temperaturas en las que el metal ya está cerca de fundirse, medir esa velocidad es muy difícil: los sensores no se adhieren bien, el calor se escapa al aire y la propia muestra brilla y confunde los instrumentos.

Un sistema cuántico puede poseer una propiedad llamada magia. No se trata de trucos, sino de una medida de lo difícil que resulta reproducir su comportamiento en una computadora clásica. Los estados ordinarios —llamados estabilizadores— son fáciles de calcular para una computadora. Pero los estados con magia la dejan perpleja.

La superconductividad es cuando la corriente eléctrica fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. Normalmente aparece a temperaturas muy bajas, pero hay materiales donde surge a temperaturas más altas.

En el helio superfluido, un vórtice se parece a un tornado en una botella, pero en lugar de agua hay un líquido cuántico que fluye sin fricción. Ese vórtice no se disipa por sí solo, así que la pregunta de dónde va a parar su energía permaneció abierta durante mucho tiempo.

Una cacerola de aluminio común en la cocina no emite moléculas que se puedan atrapar con luz. Pero si se toma aluminio y una sal de aluminio, y se calientan juntos en un pequeño horno, se obtiene un flujo de moléculas de fluoruro de aluminio, como un chorro de vapor del pico de una tetera, solo que en lugar de gotas de agua vuelan partículas diminutas.

En una orquesta donde cada músico toca la misma nota, el sonido se funde en un potente unísono. Así surge el condensado de Bose — Einstein: una multitud de partículas bosónicas que, a temperaturas extremadamente bajas, se comportan como un todo.

En helio enfriado casi hasta el cero absoluto, el líquido deja de rozarse consigo mismo y fluye sin resistencia alguna.

Un cristal de uranio del tamaño de un grano de arroz se enfrió hasta una quincuagésima parte de un grado por encima del cero absoluto. A esa temperatura, el calor no se transporta de forma caótica, sino siguiendo estrictamente las reglas del mundo cuántico.

Una cadena caliente de átomos alineados se comporta como un diminuto agujero negro. Esta cadena es una fila de partículas, cada una de las cuales se asemeja a un pequeño imán. A temperatura normal, los imanes se voltean de forma caótica, pero si se enfrían, se alinean en un orden único.

En una cámara oscura, donde la temperatura está solo cuatro grados por encima del cero absoluto, reposa un cristal de zafiro del tamaño de un grano de arroz. Cuando un neutrino —una partícula fantasma que apenas interactúa con la materia— lo atraviesa, el cristal se estremece y se calienta una fracción insignificante de grado.

El agua en una cacerola no hierve al calentarse, sino que se convierte en hielo. Algo así ocurre con los átomos ultrafríos en una red óptica: una rejilla cristalina de luz que mantiene a los átomos en su lugar. Los científicos simularon este sistema en una computadora para entender cómo cambia el orden al aumentar la temperatura.

Un líquido que fluye sin fricción es el helio-4 superfluido, un extraño estado de la materia a temperaturas inferiores a dos kelvins. En un volumen grande, la transición a la superfluidez ocurre a la temperatura del punto lambda, pero en canales estrechos todo cambia.

Las moléculas ultrafrías son un material prometedor para la computación cuántica, pero reunirlas en un arreglo ordenado, como huevos en una caja, no es tarea fácil. Se ha propuesto un método para cargar moléculas una a una en pinzas ópticas o redes directamente desde el gas.

Un conductor ordinario deja pasar la corriente igual en ambas direcciones, como una puerta que se abre hacia dentro y hacia fuera. Un diodo, en cambio, es una puerta con cierre hidráulico: en un sentido se abre con facilidad, pero en el otro opone resistencia.

Una nube diminuta de 300 000 átomos de iterbio, enfriada casi hasta el cero absoluto, viajó por una pista de luz de 34 centímetros de largo, como si se transportara una carga frágil por un camino lleno de baches sin que se desparramara.

Frágil como hielo en un horno, el entrelazamiento cuántico normalmente muere ante el más mínimo calor. Cerca de un agujero negro, donde el espacio está curvado por la gravedad de Einstein y la radiación de Hawking calienta, cualquier enlace debería romperse.

Un fotón de rayos X entra en el sensor como una piedrita en aguas tranquilas. El agua es una fina película de aluminio y manganeso, enfriada casi hasta el cero absoluto. El impacto en la película genera una onda de calor, y por su altura se puede saber cuánta energía traía el fotón.

La luz y la materia en el mundo diminuto siguen leyes difíciles de calcular incluso con supercomputadoras. Los físicos construyen 'simuladores cuánticos' especiales: instalaciones donde átomos fríos hacen el papel de partículas y campos.

Un café caliente se enfría al irradiar luz invisible. Para mantener su temperatura, debe recibir exactamente la misma cantidad de luz de vuelta. Este comercio silencioso de fotones es lo que sentimos como calor estable.

Enfriar suele imponer orden: el agua se congela en hielo. Pero en el mundo cuántico, el orden adopta formas inesperadas. Los experimentadores enfriaron polaritones —partículas que son a la vez luz y materia— casi hasta el cero absoluto.

Un superconductor es como una ciudad donde los electrones dejan de empujarse y comienzan a moverse en parejas, como personas que caminan de la mano. En el niquelato de neodimio-estroncio (Nd₀.₈Sr₀.₂NiO₂), este 'desfile' ocurre a unos 10 kelvin (menos 263 grados Celsius), pero no de manera uniforme en todas partes.