detección criogénica

Al canario no se lo llevaba a la mina por su canto. El pájaro caía de la percha antes de que el minero notara el monóxido de carbono. En el vacío ultraalto, el papel del canario lo desempeña una nube de cien mil átomos de litio o rubidio.

La escena está bañada en una luz gélida y sobre ella se encuentran los espectadores de silicio. Cada uno es una matriz de pequeños diodos de avalancha capaces de detectar un fotón individual, pero solo si la temperatura ambiente desciende a 165 K.

Un intérprete llega a una reunión donde se habla un idioma que no conoce. Al principio tiene que escuchar cada palabra, anotarla literalmente y luego contrastarla con el original. Así funcionan los simuladores del telescopio de neutrinos IceCube: rastrean cada fotón que nace en el hielo antártico, recorre cientos de metros y golpea un sensor.

En lugar de un baño de hielo, una camisa de gas caliente. Así es como ahora se enfría el comparador criogénico de corriente en el Instituto Nacional de Metrología de Japón. Antes, este instrumento, que compara corrientes eléctricas con una precisión de milmillonésimas, requería sumergirse en helio líquido.

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.

Una bola de billar flota en el aire. Desde una cerbatana salen diminutos guisantes hacia ella. Cada golpe es apenas perceptible, pero si la bola es muy ligera y casi no vibra por el calor, se pueden distinguir los impactos individuales.

El campo magnético de la Tierra no es constante: tiembla por el viento solar, por tormentas lejanas, por el funcionamiento del metro. Para notar esas vibraciones se necesita un instrumento que no vibre por sí mismo. Los físicos han construido uno con átomos de iterbio enfriados casi hasta el cero absoluto.

Las computadoras cuánticas cometen errores. Cada qubit es como una canica en la punta de un lápiz: si la mano tiembla un poco, se cae. Para que las canicas no caigan, se necesita alguien que note el temblor y corrija a tiempo.

Un puñado de piedritas cae en un estanque: de cada una se expanden círculos. Si las piedras son diferentes, los círculos también lo serán: unos nítidos, otros suaves. Pero cuando miras el agua desde lejos y solo ves una pequeña parte de la ondulación, todas esas diferencias se difuminan.

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.

Dos pequeñas pesas, cada una del peso de un grano de arena, cuelgan en la oscuridad a una temperatura más fría que el espacio exterior. No se tocan, pero entre ellas hay un hilo invisible: la gravedad. El experimento que ahora construyen los físicos debe captar el momento en que ese hilo tira de una pesa debido al movimiento de la otra.

Las tecnologías cuánticas necesitan urgentemente un «traductor» universal entre los lenguajes de las microondas y la luz. Los qubits superconductores se comunican mediante ondas centimétricas, mientras que los fotones en fibra óptica lo hacen en frecuencias ópticas.

Un láser no es solo luz. Si haces que una partícula oscile como un péndulo y esas oscilaciones se autoalimentan, obtienes un láser fonónico. Suena complicado, pero la idea es simple: en lugar de ondas de luz, el dispositivo emite ondas mecánicas regulares: fonones. En el nuevo trabajo, ese "péndulo" es un único ion de calcio atrapado en una trampa electromagnética.

Un diminuto defecto en un cristal de nitruro de boro se comporta como una lamparita indicadora. Al iluminarlo, brilla y el tono de esa luz depende de la temperatura: cuanto más calor, más rojo. Al mismo tiempo, si se irradia el defecto con microondas, su brillo comienza a parpadear al ritmo del campo magnético externo.

Cada segundo, unas cien partículas invisibles atraviesan tu cuerpo: los muones. Nacen en lo alto del cielo cuando los rayos cósmicos chocan con los átomos del aire y caen sobre la Tierra como lluvia. Estas partículas son tan penetrantes que pueden atravesar un edificio de varios pisos, pero al encontrar materia densa, como plomo o uranio, se desvían ligeramente.

Un transistor de efecto de campo común se parece a un grifo con una manija muy sensible: giras un poco y el agua fluye. En las frías profundidades de una computadora cuántica, donde todo se enfría casi hasta el cero absoluto, ese grifo debe abrirse estrictamente bajo comando.

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.

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 diminuta esfera de una fracción de miligramo, suspendida en un campo magnético y enfriada casi hasta el cero absoluto, oscila 110 horas sin detenerse: un récord de aislamiento. La pérdida de energía es tan pequeña que la entropía del sistema casi no aumenta, y cualquier influencia externa se vuelve detectable.

Cuatro pequeños charcos, y en ellos chapotean gotas de un líquido superfluido. Estas gotas son átomos enfriados casi hasta el cero absoluto y unidos en pares, como pequeños imanes. Cuando toda la estructura gira, el líquido fluye entre los charcos. Basta con contar cuántas gotas hay en cada uno para conocer el ángulo y la velocidad de rotación.

Si golpeas un diamante, responde con un tintineo, pero el sonido vive en su interior incluso sin golpearlo. Allí corren constantemente ondas de compresión y rarefacción, parecidas a las ondas que una piedra produce en el agua. Solo que estas ondas son las vibraciones térmicas de los propios átomos, y se pueden detectar con un láser.

Un micrófono ultrapreciso intenta captar el susurro de una galaxia lejana. Pero el propio micrófono tiembla por el calor: sus átomos bailan como palomitas en una sartén. Los físicos llaman a este baile ruido térmico, y a menudo ahoga las señales débiles.

La luz deja huella incluso cuando apenas existe. Un fotón individual, un diminuto paquete de energía, incide sobre una oblea de silicio y libera un puñado de electrones. El problema es que ese puñado es demasiado pequeño para ser detectado. Se necesita un amplificador.

El campo magnético de la Tierra, que hace girar la aguja de una brújula, es fuerte. El nuevo sensor detecta campos cien mil veces más débiles, y para ello no necesita ni helio líquido ni instalaciones voluminosas. Todo cabe en una placa de circuito impreso, igual que la que hay dentro de un teléfono inteligente.

Imagina que necesitas examinar un copo de nieve sin dejar que se derrita ni se dañe. Algo así es lo que enfrentan los científicos que quieren estudiar proteínas individuales, esas diminutas máquinas moleculares de la vida. Una proteína en solución tiembla constantemente y se agrupa con sus vecinas, y en un microscopio electrónico el haz la destruye.

Una neurona percibe señales eléctricas como un micrófono ultrapreciso que capta las vibraciones más sutiles.

Una aguja metálica desciende sobre un trozo de superconductor. Todo ocurre dentro de un refrigerador que enfría la muestra hasta 30 milésimas de grado por encima del cero absoluto, cien veces más frío que el espacio exterior.

Una antena común capta ondas de radio, pero hay campos que casi no percibe. Hablamos de campos eléctricos lentos, aquellos que cambian una vez por segundo o menos. Para ellos, los físicos han construido un sensor a partir de un haz de átomos de rubidio.

Un detector que busca partículas raras se parece a un oído que intenta percibir un susurro en una habitación ruidosa. Cuanto más débil es la señal, más difícil resulta distinguirla del ruido aleatorio.

Un susurro en una sala ruidosa solo puede captarse con un micrófono muy sensible que apenas haga ruido por sí mismo. En la física de eventos raros, ese papel lo desempeñan los detectores de germanio ultrapuro: un cristal semiconductor que convierte una partícula que lo atraviesa en un diminuto impulso eléctrico.

La materia oscura es una masa invisible que mantiene unidas las galaxias. Se desconoce su naturaleza, pero uno de los candidatos más probables es el axión, una partícula ultraligera que casi no interactúa con la materia. Para atraparlo, los físicos han creado una trampa híbrida.

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.

En el laboratorio se mide una señal muy débil, por ejemplo, un cambio diminuto en el campo magnético. El instrumento tiembla por los coches que pasan, por la respiración del experimentador, por el calentamiento de los cables. Ese ruido técnico no se puede eliminar por completo y limita la precisión.

Las ondas de radio que oscilan menos de una vez por segundo atraviesan la tierra y el agua casi sin pérdidas. Estas señales se usan para comunicarse con submarinos y para buscar minerales. Pero una antena convencional para ellas necesitaría cientos de metros de largo, y su sensibilidad deja mucho que desear.

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.

Un sismómetro es el oído del planeta. Capta las mínimas vibraciones del suelo y las convierte en una señal eléctrica. Pero ese oído no es perfecto: su sensibilidad depende de la temperatura. En el frío y en el calor, el instrumento escucha de forma ligeramente distinta, y eso introduce un error en las mediciones.

Un único antiprotón, atrapado y enfriado casi hasta el cero absoluto, se comporta como un diapasón al que hay que golpear con mucha precisión para escuchar un sonido puro. Captar ese «sonido» directamente es casi imposible: la señal es demasiado débil.

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.

Las computadoras cuánticas prometen resolver problemas inaccesibles para las máquinas convencionales, pero su corazón — los cúbits — exige temperaturas ultrabajas, cercanas al cero absoluto. Por lo general, controlar los cúbits y leer su estado se hace desde una sala templada, tendiendo muchos cables a través del refrigerador.

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.