enfriamiento

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 agujero negro es un laberinto del que no se puede salir. Pero, ¿qué ocurre con la información en su interior? Para comprobarlo, los físicos no viajaron hasta el agujero más cercano, sino que construyeron una diminuta réplica en un procesador cuántico.

En una cámara ultrafría chocan dos nubes de átomos: unas decenas de átomos de cesio, que actúan como fluido de trabajo, y miles de átomos de rubidio, que forman el reservorio de calor.

El té caliente se enfría y el helado se derrite: el calor siempre pasa de lo cálido a lo frío, y esta ley parecía inquebrantable. Pero en el mundo cuántico, incluso las reglas habituales pueden reescribirse.

El rayo láser no solo calienta, también puede calmar el movimiento. Cuando la luz entra en una trampa de espejos, ejerce presión sobre ellos, y si se ajusta correctamente el color del rayo, esa presión se convierte en un suave frenado. Así se enfrían las diminutas oscilaciones mecánicas hasta casi el cero absoluto.

Un grupo de búsqueda rastrea un campo brumoso. Al principio, las personas se dispersan ampliamente: una alta 'temperatura' de búsqueda significa una gran variedad de intentos. Al encontrar un rastro, se acercan. Pero la velocidad de acercamiento es crítica: si se estrecha el círculo demasiado pronto, el mejor hallazgo quedará fuera.

El efecto Mpemba es un enigma: el agua caliente a veces se congela más rápido que la tibia. Normalmente se relaciona con cómo el agua pierde calor y entropía (medida del desorden). Pero en un vaso de agua, el caos impide un modelo preciso. Los físicos construyeron un modelo cuántico: una partícula en un pozo con dos huecos separados por una barrera.

El tunelamiento cuántico — la capacidad de las partículas de atravesar barreras prohibidas por la física clásica — alimenta las estrellas con fusión termonuclear, enciende la nucleosíntesis primordial y nos da la memoria flash.

A veces, el agua en una taza caliente se congela más rápido que en una tibia. Esta paradoja tiene más de medio siglo y se llama efecto Mpemba. Por lo general, se atribuye al movimiento del líquido o a la evaporación. Ahora, los físicos han demostrado que un truco similar es posible sin agua, simplemente mediante la emisión de calor.

En el agua hirviendo agua se puede ver un prototipo del truco cuántico: si parte del líquido se convierte en burbujas de vapor de larga vida, la masa principal se enfría.

Un diminuto cristal de átomos cargados, atrapado en una trampa, tiembla por el calor. Cada ion oscila como una bolita en un resorte, y estas oscilaciones impiden utilizar el cristal para operaciones cuánticas precisas. Normalmente, el exceso de energía se elimina con un láser: el haz golpea los iones y frena su movimiento, como una corriente de aire que amortigua un péndulo.

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 universo es como un pastel de varias capas, donde la nuestra — estrellas, planetas y personas — es solo una de muchas. En la capa vecina, que los físicos llaman sector oculto, bullen sus propios procesos. Este trabajo trata sobre uno de esos procesos: una transición de fase de primer orden, cuando la materia cambia bruscamente de estado, como el agua que se convierte en hielo.

Un imán del tamaño de un grano de arroz flota en el vacío sin tocar las paredes. Lo sostiene el campo magnético de una trampa superconductora: un anillo enfriado a un estado en el que la corriente fluye sin resistencia.

Un agujero negro es como un carbón que se creía que ardía lentamente para siempre, pero que al final debería apagarse y evaporarse sin dejar rastro. Así lo predijo Stephen Hawking: los procesos cuánticos en el horizonte de sucesos (la frontera de la que ni siquiera la luz puede escapar) generan un débil resplandor, y el agujero pierde masa lentamente.

Las leyes cuánticas gobiernan el mundo de los átomos. Para que un objeto grande también se vuelva cuántico, hay que congelarlo casi hasta el cero absoluto en criostatos. Los físicos hicieron lo contrario: con un láser silenciaron una membrana a temperatura ambiente. La membrana, como una diminuta campana, vibra por los empujones térmicos.

Una olla de sopa olvidada en la estufa se enfría hasta alcanzar la temperatura ambiente. Parece que todo ha llegado al reposo. Pero si uno mira dentro con una lupa cuántica, descubre que las moléculas de agua no se han congelado: continúan su danza. Solo que ahora esa danza se ha vuelto uniforme, no turbulenta como cuando hervía.

Una máquina térmica no tiene que ser de hierro. En el micromundo, el papel del pistón puede desempeñarlo un solo electrón, y en lugar de combustible, el propio proceso de medición. Dos "bolsillos" vecinos para electrones se conectan mediante un puente estrecho.

Cientos de personas en una pista de baile están a igual distancia unas de otras: un orden estricto, como en una red cristalina. La música lenta son las vibraciones térmicas, que hacen que los bailarines empiecen a balancearse ligeramente. Si la música se vuelve más fuerte y rápida, el orden se derrumba: todos se mezclan.

Dos motas diminutas de polvo flotan en el cruce de rayos láser. Cada una se sostiene con sus propias «pinzas»: un haz enfocado que impide que la partícula caiga. Dentro de una cavidad de espejos, la luz rebota entre las paredes y sus oscilaciones se acoplan al temblor de las motas.

El agua en una taza se enfría en minutos. El gas en una habitación la llena uniformemente en segundos. Pero si metes átomos en un tubo del grosor de un rayo láser y los excitas bien, tardarán varios segundos en «enfriarse» hacia el equilibrio: toda una eternidad a escala atómica.

Cuando los servidores de un centro de datos trabajan a plena potencia, se calientan como una plancha olvidada. Ese calor se pierde, y para enfriarlos se gasta aún más energía. Unos ingenieros de Alemania han propuesto aprovechar ese calor: que sea él mismo quien impulse el líquido por tubos finos, sin motores ni bombas. Su dispositivo parece una cajita plana con el fondo asimétrico.

El magnetómetro cuántico basado en núcleos de hidrógeno funciona como auriculares con cancelación activa de ruido. Escucha el campo alternativamente de dos formas distintas: el ruido es igual en ambas, pero la señal útil es diferente. Al restar una de la otra, el dispositivo aísla la señal, reduciendo las interferencias más de 1000 veces.

La superconductividad es la capacidad de un material para conducir electricidad sin pérdidas. Los cables normales se calientan y parte de la energía se convierte en calor, mientras que un superconductor deja pasar la corriente sin resistencia.

Los materiales cuánticos son como flores caprichosas: solo florecen con el frío. A temperatura ambiente esconden sus propiedades inusuales, pero cuando se enfrían intensamente se vuelven superconductores o cambian su comportamiento magnético. Para entender cómo funcionan, hay que examinar sus átomos en ese mismo frío donde viven esas propiedades.

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.

A una temperatura de 0,1 K — tres décimas de grado por encima del cero absoluto — la materia deja de obedecer las reglas habituales. El helio se vuelve superfluido: fluye sin fricción, se filtra por rendijas y se comporta como un único líquido cuántico gigante.

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.

Un frigorífico normal de cocina enfría todo a una misma temperatura. Pero en los laboratorios donde se estudian fenómenos cuánticos, a menudo se necesitan dos niveles de frío diferentes a la vez. Antes, para ello se montaban dos circuitos de refrigeración separados: voluminosos y pesados.

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 ordenador cuántico se parece a una orquesta que antes de cada pieza debe afinar sus instrumentos. La afinación lleva tiempo y exige silencio —en nuestro caso, frío profundo. Para los chips de silicio con átomos de boro, esa afinación suele hacerse con microondas, lentamente y solo a temperaturas inferiores a 2 kelvin (menos 271 grados Celsius).

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.

El cocinero salpica agua sobre una sartén caliente: las gotas chisporrotean y desaparecen, revelando al instante la temperatura, más rápido que esperar un termómetro. Un principio similar funciona en la termometría cuántica.

Dentro de un espectrómetro de siete metros, que parece una columna alta, nacen los fragmentos del neutrón desintegrado. Para atraparlos se necesitan láminas de silicio del tamaño de una mesa de comedor y del grosor de un dedo.

El agua en un vaso se enfría, el hielo se derrite y la tetera calienta la estufa: así funciona el mundo: el calor siempre va de lo caliente a lo frío. Es la segunda ley de la termodinámica, una ley que nunca se ha violado.

Para disolver azúcar rápidamente, no hace falta remover con cuidado: basta con agitar el vaso. Un principio similar funciona en los sistemas cuánticos: el ruido, que normalmente se considera una interferencia, acelera la transición al estado térmico.

El cúbit, el corazón de la computadora cuántica, es como una pompa de jabón: el más mínimo soplo la revienta. En la Tierra, la gravedad tira de las pompas hacia abajo, creando vibraciones, y la agitación térmica de los átomos añade temblor.

La paradoja de Mpemba — el agua caliente a veces se congela más rápido que la fría — ha tenido una continuación cuántica. En el microcosmos, una partícula, impulsada más lejos de la meta, llega a ella primero.

Un diminuto columpio de un nanogramo y medio oscila no por el viento, sino por el calor del entorno. Los físicos casi lo detuvieron al enfriarlo a 0,006 grados sobre el cero absoluto. Primero se magnetizó el columpio y luego se retiró suavemente el campo: esta técnica, la desmagnetización nuclear, le extrajo la energía como una esponja absorbe agua.

En el mundo cuántico, las partículas pueden atravesar paredes: eso es el efecto túnel cuántico. Si colocamos un detector justo en el camino de ese paso "fantasmal", la detección actúa como un pistoletazo de salida: la partícula recibe un fuerte empujón y sale de la barrera con un exceso de energía, convirtiéndose en un diminuto motor.