temperatura criogénica

En lo profundo de la montaña, donde los muones de los rayos cósmicos quedan amortiguados por el espesor de la roca, hay un detector que no capta la luz, sino su ausencia. El positronio es un átomo diminuto en el que un electrón y su antipartícula, el positrón, giran uno alrededor del otro como una pareja de bailarines.

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.

Una orquesta congelada en la que los músicos cambian de asiento cuando el director, el magnetismo, marca una nueva partitura. En el cristal de espinela, los átomos de hierro y magnesio se sientan en dos tipos de butacas: unos rodeados por cuatro vecinos, otros por seis.

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 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.

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.

El agua caliente después de la ducha, el aire cálido de la ventilación, las paredes calientes del motor: todo esto es calor por debajo de 100 °C. Normalmente se disipa sin hacer ningún trabajo útil. Ahora se puede capturar y convertir en electricidad. Dentro del nuevo dispositivo hay un alambre de aleación de níquel y titanio.

Un cristal de yoduro de sodio dopado con talio es como una película fotográfica para partículas invisibles. Cuando un rayo gamma o una hipotética partícula de materia oscura incide en él, emite un destello de luz débil. Dos fotomultiplicadores de silicio, presionados contra los extremos del cristal, captan ese destello desde ambos lados.

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.

La materia oscura es el armazón invisible que sostiene a las galaxias. Pero, ¿cómo apareció exactamente? La respuesta estándar es que las partículas de materia oscura dejaron de colisionar y se "congelaron" en la cantidad que vemos hoy. Sin embargo, hay un camino más astuto: el UFO, o congelamiento ultrarrápido.

Los libros de texto dividen las partículas en dos bandos: a los bosones les encanta amontonarse en un mismo estado, mientras que los fermiones se niegan rotundamente. Pero la naturaleza admite una tercera opción. Los anyones son cuasipartículas cuyo comportamiento se sitúa en algún punto intermedio.

El horno se enfría lentamente. Mientras está al rojo vivo, la masa sube con vigor, pero en cuanto baja la temperatura, el proceso se detiene.

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.

Si metes dos termómetros idénticos en una olla con agua caliente, marcarán lo mismo, y nos tranquilizamos: la temperatura está bien medida. Pero en un gas enrarecido calentado a millones de grados, este truco deja de funcionar. Aquí las partículas casi no chocan entre sí, por lo que los electrones más rápidos se escapan, mientras que los lentos se acumulan en el centro.

Una valla invisible bloquea el estrecho. No se puede saltar por encima ni bucear por debajo: no está hecha de acero, sino de un flujo de partículas que atraviesan la columna de agua. Así podría describirse la idea de detectar submarinos nucleares por su emisión de antineutrinos.

En los primeros instantes después del Big Bang, el Universo era una sopa hirviente de partículas elementales. Incluso los ligeros neutrinos chocaban entonces activamente con todo lo que había.

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 planeta gigante flota en el espacio en total soledad, alejado de su estrella a una distancia 160 veces mayor que el camino del Sol a Plutón. La luz de su estrella madre llega tan débil que la temperatura en la superficie apenas supera los 200 grados Celsius, más o menos como en una sauna bien caliente.

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.

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 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.

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.

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.

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.

Una película delgada de semiconductor de un átomo de espesor se asemeja a un piso compartido: en ella viven electrones con carga negativa y «huecos» con carga positiva.

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 puñado de arena sobre una mesa vibrante es como una multitud en una pista de baile que aún mantiene el ritmo de la canción anterior cuando el DJ ya ha puesto una nueva. Los científicos hicieron saltar una fina capa de gránulos sobre una plataforma que vibraba verticalmente y cambiaron bruscamente la intensidad de la vibración.

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.

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 termo con xenón líquido, enfriado a menos cien grados. Dentro, sensores sensibles que captan señales raras de partículas de materia oscura. Para sacar esas señales fuera, normalmente se usan cables de cobre. Pero en el camino largo la señal se debilita y los cables vecinos empiezan a "cuchichear" entre sí: eso se llama diafonía.

Una celda de sesenta átomos de carbono, parecida a un balón de fútbol, deja entrar en su interior a moléculas pequeñas. Las esferas de carbono llamadas fullerenos se acomodan en un cristal como naranjas en una caja: entre ellas quedan huecos.

Plomo antiguo, que permaneció en el fondo del mar durante dos mil años, se ha convertido en el corazón de un detector que busca la sustancia más esquiva del universo. Con él se cultivó un cristal transparente de wolframato de plomo de 13 gramos de masa y se enfrió casi hasta el cero absoluto.

Una cámara térmica normalmente funciona como un termómetro con matriz: mide cuánto se ha calentado cada píxel y lo convierte en imagen. Pero este método tiene un límite: el ruido propio del aparato impide ver el calor débil.

Un horno con tres estantes en los que se hornean diferentes platos: esa es la imagen que viene a la mente al observar la galaxia I Zw 18. El estante superior está al rojo vivo a 21 200 kelvin, el del medio a 17 290 y el inferior a 16 170.

Dentro del refrigerador que enfría la materia casi hasta el cero absoluto late un corazón mecánico: el tubo de pulsación. Bombea gas y extrae calor, pero junto con el frío trae temblor. Cada latido de ese corazón sacude los instrumentos colocados junto a la muestra y arruina las mediciones delicadas.

Un ordenador cuántico se parece a una orquesta que solo toca en silencio absoluto. El más mínimo ruido y la frágil melodía se desmorona. Para los dispositivos cuánticos, ese ruido es el calor: incluso la débil radiación infrarroja de los componentes cercanos calienta los cúbits y borra sus estados cuánticos.

La forma habitual de congelar una célula viva se parece a intentar ponerle un traje espacial: primero hay que introducir la sustancia protectora, pero mientras esta atraviesa la membrana, la célula puede reventar por el cambio de sales o intoxicarse con la química.

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 de los microchips, donde los flujos de fotones (cuantos de luz) transportan información, surge un problema fundamental: la luz, al atravesar la materia, inevitablemente la calienta. Ese calentamiento genera fluctuaciones térmicas: sacudidas caóticas e impredecibles de los átomos que desbaratan el funcionamiento preciso del dispositivo.