transferencia de calor

Sobre la mesa hay un trozo de grafito cultivado a partir de gas, como una capa en la pared de un reactor. Normalmente, ese material no sirve para convertir calor en electricidad: en su interior, los electrones y los huecos corren en direcciones opuestas y se anulan mutuamente.

Un diminuto diamante, invisible al ojo, reposa sobre un chip y siente el calor como ningún termómetro común. En su interior se esconden dos defectos: lugares donde un átomo de carbono es reemplazado por uno de nitrógeno, y junto a él, un hueco.

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.

Si se hace pasar corriente por dos conductores soldados, la unión se calienta o se enfría: es el efecto Peltier, en el que se basan las neveras de los automóviles.

Un haz de láser atraviesa una cubeta de vidrio con vapor de cesio. Los átomos del vapor se mueven caóticamente, como una multitud en una estación: cada uno entra en el haz, permanece un instante y vuelve a salir. Su estado interno —algo así como la orientación de un pequeño imán— cambia bajo la acción de la luz. Si todos los átomos fueran idénticos e inmóviles, la señal sería uniforme.

Un microchip del tamaño de una uña genera tanto calor como una bombilla pequeña. Disipar ese calor es como intentar vaciar una taza de té hirviendo con una cucharilla: el material aislante que rodea los transistores normalmente conduce mal el calor.

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.

El planeta WASP-121 b es un gigante gaseoso, calentado hasta 2500 °C. Siempre mira a su estrella con una misma cara, como un globo terráqueo congelado bajo una lámpara. Pero cuando pasa frente al disco estelar, su rotación nos muestra diferentes facetas, como si giraran lentamente ese globo para que podamos ver todos los rincones.

Si calientas un clavo en una fogata, se alarga; eso lo sabe cualquiera. Pero si calientas solo la punta y dejas el otro extremo frío, el clavo no solo se hace más largo: se curva, porque el metal caliente se expande más que el frío. Esa misma curvatura, pero a nivel atómico, es lo que los físicos han convertido en electricidad.

Una barra de metal, al calentarse, de repente se vuelve rígida y, de paso, pierde o gana propiedades magnéticas. En aleaciones a base de níquel y manganeso, estas transformaciones no ocurren de forma gradual, sino de golpe: los átomos se reordenan en una nueva estructura y el material cambia su comportamiento.

Una partícula de oro del tamaño de un centenar de átomos recibe un rayo de luz y se sobrecalienta. En la vida cotidiana esto no es un problema, pero en el mundo de la nanotecnología, este diminuto calentamiento puede estropear un biosensor o quemar un microchip. No se puede poner un ventilador aquí: a estas escalas, el calor queda atrapado como en un grueso abrigo de plumas.

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.

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.

En un canal delgado de un semiconductor, los electrones no se comportan como individuos solitarios, sino como una multitud en hora punta. Chocan entre sí constantemente, y de esas colisiones depende con qué facilidad el calor y la corriente eléctrica atraviesan el material.

En un cristal aislante, el calor normalmente se propaga del extremo caliente al frío. Pero si se activa un campo magnético, parte del flujo de calor se desvía hacia un lado, como el agua que, al deslizarse por una pendiente, se desplaza ligeramente hacia un costado cuando el viento la empuja. Este comportamiento se conoce como efecto Hall térmico.

Si empujas calor a través de un trozo de cuarzo, normalmente va recto, como el agua por una tubería. Pero en cuanto enciendes un campo magnético, el flujo se desvía un poco hacia un lado, como si la tubería de repente tuviera una derivación lateral.

Normalmente, la corriente en un metal actúa como agua hirviendo sobre el hielo: calienta el material y destruye el orden magnético. Pero en una estructura laminar de ditelururo de wolframio y el ferromagneto Fe3GeTe2, la corriente se comporta de otra manera.

Normalmente, para obtener ondas de terahercios (luz entre las microondas y el infrarrojo) se construye un sándwich de distintos metales. En él, una capa actúa como fuente y otra como receptor de cargas. Al platino en estas estructuras se le asignaba el papel de simple conductor. Pero resultó que puede funcionar por sí solo.

Una película fina de óxido de níquel de unas decenas de nanómetros de espesor es como una hoja de papel doblada cientos de veces más fina. A temperatura ambiente conduce la electricidad, pero basta con enfriarla un poco para que se convierta en un aislante.

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.

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.

Una mota de polvo de diamante, más pequeña que la centésima parte de un milímetro, brilla en rojo. En su interior hay un defecto del cristal: dos átomos de carbono vecinos, donde falta uno y junto a él se encuentra un átomo de nitrógeno. Ese par atrapa la luz y la devuelve, como un faro diminuto que no se apaga a temperatura ambiente.

Diminutas partículas con forma de flor son capaces de hacer dos cosas a la vez: calentarse y avisar de lo calientes que están. No es ciencia ficción, sino el resultado de trabajar con nanopartículas de ferrita de cobalto, un material magnético que reacciona ante un campo magnético.

La energía como firma: el signo del impulso transferido revela el secreto. Esta metáfora es la clave del nuevo protocolo de distribución cuántica de claves, donde en lugar de medir estados se utiliza la teletransportación de energía. En los esquemas estándar, como BB84 o E91, el bit secreto se extrae de los resultados de las mediciones, pero aquí se oculta en si Bob recibe o pierde energía tras una operación local.

Treinta nanómetros: la distancia en la que un fonón velocista aún no ha tenido tiempo de acelerar.