disipación de calor

Una batería normal libera calor de forma gradual: tanto almacena, tanto entrega. La potencia queda fijada de una vez por todas, como un grifo del que el agua sale en un solo chorro. Pero a veces no se necesita un flujo constante, sino una descarga corta y potente: calentar una pieza al instante, iniciar una reacción, disipar el exceso de calor.

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.

En los primeros instantes después del Big Bang, el universo parecía un caldero hirviendo. En él, según una hipótesis, pudo nacer la materia oscura: la sustancia invisible que mantiene a las galaxias unidas.

En un vaso de agua, el aceite se acumula en gotas: es una separación en equilibrio dictada por la química. Pero hay sistemas donde el orden no nace del reposo, sino de un flujo constante de energía.

Las lentes y espejos de vidrio parecen perfectamente lisos e inmóviles. Pero en su interior hierve una vida oculta. Los átomos en un material amorfo (una sustancia sin red cristalina) están empaquetados de manera desordenada, y este desorden crea un paisaje energético complejo, como un país montañoso con innumerables colinas y valles.

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.

A finales de los años 90, astrónomos como Saul Perlmutter descubrieron que el universo se expande aceleradamente. La causa se denominó energía oscura, una fuerza invisible que empuja el cosmos.

En una olla de sopa, cada grano es un diminuto imán que quiere orientarse en dirección opuesta a su vecino. Calienta la sopa y los imanes empezarán a agitarse, obedeciendo al calor. Pero, ¿cómo saber cuán desobedientes son a cada temperatura? Para una sustancia ordinaria, esto se calcula en potentes computadoras, probando todas las opciones.

El agua común agua se congela como se espera. Pero a veces, la caliente se convierte en hielo más rápido que la fría: el efecto Mpemba. Recientemente, se encontró una violación similar de las reglas en el entrelazamiento cuántico, esa conexión invisible entre partículas descubierta por Erwin Schrödinger.

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 batería de iones de litio se parece a un edificio de varias plantas donde en cada piso viven iones de litio. Cuando se carga la batería, los iones se mudan de un piso a otro, y todo el edificio se calienta un poco. Normalmente, ese calor se disipa de manera uniforme, como el de un suelo radiante. Pero a veces en un punto hace demasiado calor, y entonces todo el edificio puede arder en llamas.

Los qubits en una computadora cuántica superconductora son como cuerdas muy tensas. Cuando una partícula del espacio o de la desintegración de un elemento radiactivo pasa volando, golpea esas cuerdas y estas comienzan a vibrar. Esa vibración rompe los frágiles estados cuánticos y los cálculos se descarrilan.

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.

Dos coches idénticos salen de la misma cadena de montaje. Carrocería, ruedas, volante: todo coincide. Solo que uno lleva un motor de gasolina normal y el otro uno híbrido que se puede ajustar a la carretera. Y el híbrido se cala a los pocos kilómetros, mientras que el de gasolina recorre decenas.

Los sistemas físicos saben calcular. Si se construye un paisaje de colinas y valles de modo que el punto más bajo corresponda a la respuesta, el sistema rueda hasta allí solo, como una canica. El problema es que en el fondo suele haber una zona plana y la canica tarda mucho en quedarse quieta. Los autores del trabajo proponen empujar la canica hacia el lugar correcto antes de empezar.

En el mundo cuántico, el camino a la calma a veces se asemeja a una carrera paradójica: al empezar más lejos de la meta, el sistema alcanza el equilibrio más rápido. Este efecto, la versión cuántica del fenómeno Mpemba, se debe al rápido crecimiento de la entropía, la medida del desorden.

Un tubo silencioso con una rejilla caliente en su interior. El voltaje en la rejilla se eleva de golpe, y el tubo empieza a zumbar, manteniéndose solo. No es una avería, sino una transición a otro estado estable, como una canica que rueda sobre una colina y cae en el hoyo vecino.

Una computadora cuántica es como una orquesta, donde cada cúbit es un músico que toca su parte. Pero de vez en cuando irrumpe un rayo cósmico en la sala, y el violinista se sobresalta y pierde el ritmo. Estas partículas del espacio profundo atraviesan el chip, expulsan electrones extra y estropean la frágil música cuántica.

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 ordenador cuántico se parece a una tetera demasiado caliente: las partículas corretean sin orden y hay que calmarlas para obtener una respuesta útil. En un nuevo trabajo, los físicos han ideado cómo enfriar una cadena de 19 espines cuánticos (pequeños imanes) directamente en un dispositivo real.

Toda máquina, ya sea el motor de un coche o un diminuto nanorefrigerador, funciona con temblores. El combustible no se quema de manera uniforme, los electrones atraviesan los contactos sin seguir un horario, y la aguja de potencia en los instrumentos vibra ligeramente. Estas vibraciones se denominan fluctuaciones.

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.

Todo tiende al equilibrio: el té se enfría, el péndulo se aquieta. La medida de este movimiento es la entropía, el desorden creciente. Pero a veces el agua caliente se congela antes que la tibia. El efecto Mpemba no es solo una curiosidad: también se manifiesta en el mundo cuántico.

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.

Dos viajeros se dirigen a la misma meta. Uno parte más cerca, pero elige un camino rural sinuoso. El otro comienza más lejos, pero toma directamente la autopista. El segundo llega primero. En física cuántica, esta paradoja se conoce como efecto Mpemba cuántico: un estado inicialmente más alejado del equilibrio lo alcanza más rápido que uno más cercano.

Las fases topológicas suelen esconderse en criostatos. Los circuitos superconductores, los átomos ultrafríos, los pulsos láser: todos protegen el orden cuántico del ruido térmico.

El entrelazamiento cuántico es un recurso frágil. Calienta el sistema y las fluctuaciones térmicas romperán los finos hilos de las correlaciones: a una temperatura suficientemente alta, aunque finita, el estado de Gibbs de un hamiltoniano local se vuelve separable, es decir, representable como una mezcla probabilística de productos de estados locales.

En un criostato de dilución enfriado a 170 milikelvin nace un estado coherente del campo de microondas. Es luz láser con incertidumbre mínima: su amplitud y fase están definidas con la máxima precisión que permite la mecánica cuántica.

Cinco cúbits superconductores en un chip: el escenario donde se representa la obra del caos cuántico. Cuatro cúbits forman el sistema; el quinto, el entorno que introduce disipación. Tras una breve evolución, el entorno se descarta y el sistema queda con un mapa cuántico abierto: un operador que transforma el estado del sistema.

El entrelazamiento cuántico es como un resorte invisible entre partículas: aprietas una y la otra se mueve, sin importar dónde esté. En el nuevo trabajo, los físicos construyeron un modelo de cuatro espines (pequeñas agujas magnéticas) en una cadena, donde los espines extremos están sujetos por un campo magnético local.