calentamiento

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.

Un intérprete que se ha aprendido todas las réplicas de antemano responde al instante — no necesita escuchar toda la conversación de nuevo. Así funciona el nuevo modelo: no hace correr átomos en la computadora durante horas, sino que entrega de inmediato la energía libre del cristal a cualquier temperatura y presión.

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 campo de luz, como una gofrera cuidadosa, imprime en el espacio un patrón regular de zonas brillantes y oscuras. En los puntos más luminosos, como en pequeños hoyuelos, quedan atrapados los átomos: se forma una red óptica. Es la herramienta favorita de los físicos cuando quieren estudiar el comportamiento cuántico de la materia en estado puro.

En un horno, al subir la temperatura, las moléculas se mueven más rápido y el desorden aumenta. Con los modelos de lenguaje como ChatGPT ocurre lo contrario. Cuando los desarrolladores aumentan el parámetro de «temperatura», el modelo tiene acceso a una selección más amplia de palabras, pero sus textos largos de repente se quedan en bucle.

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.

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.

Imaginen el agua como un salón de baile, donde cada molécula es un bailarín que entabla constantemente fugaces alianzas. Estos enlaces de hidrógeno generan patrones locales: unos recuerdan un vals remilgado —una red ordenada con vacíos (estructura de baja densidad)—, otros un frenético jitterbug, donde las parejas se apiñan en caóticos racimos densos.

La vieja pregunta sobre el demonio de Maxwell —si un ser inteligente puede burlar la segunda ley de la termodinámica y bombear calor del frío al caliente— adquiere un nuevo significado en el mundo cuántico.

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.

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 cosmos está lleno de velocistas invisibles: partículas que corren casi a la velocidad de la luz. Se capturan en el viento solar, cerca de estrellas de neutrones e incluso en el vacío intergaláctico entre galaxias. Pero, ¿qué las acelera donde no hay ondas de choque ni reconexiones magnéticas?

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 olla con agua en la cocina: cuanto más caliente está el fuego, más rápido el hielo se convierte en agua y el agua en vapor. El calor destruye el orden. Pero a veces la naturaleza hace un truco: el calor hace que un líquido se congele, como un charco en una helada.

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.

Una tetera se enfría sobre la mesa. El calor se escapa al aire y se desperdicia. Sin embargo, se podría exprimir un poco de electricidad de ese calor. Los dispositivos que logran esto se llaman generadores termomagnéticos. En su interior no hay pistones ni turbinas, solo un material que cambia sus propiedades magnéticas al calentarse y enfriarse.

Un alambre de cobre bajo el impacto de un láser es como una cocina donde el chef enciende la estufa y vigila el cronómetro al mismo tiempo. Los átomos de cobre comienzan a bailar, perdiendo el orden de la red cristalina, y los electrones, como camareros en el salón, sienten el cambio al instante. Pero, ¿cuánto desorden se necesita para que lo noten?

El láser golpea el cristal y este responde con destellos de luz, como una campana que suena al ser golpeada. Pero si la campana está caliente, su sonido tiembla y se apaga. Así ocurre aquí: los átomos del cristal vibran constantemente por el calor, y esa vibración impide que los electrones se muevan en línea recta, por lo que la luz sale tenue y borrosa.

Un sistema cuántico puede poseer una propiedad llamada magia. No se trata de trucos, sino de una medida de lo difícil que resulta reproducir su comportamiento en una computadora clásica. Los estados ordinarios —llamados estabilizadores— son fáciles de calcular para una computadora. Pero los estados con magia la dejan perpleja.

El plasma cósmico no es un gas tranquilo, sino una sopa hirviendo de partículas cargadas atravesada por campos magnéticos. Estos campos se comportan como gomas elásticas tensadas: a veces se rompen y de inmediato se vuelven a unir, pero de otra manera.

La luz y los átomos, como bailarines, pueden moverse al unísono o en desorden. Cuando su interacción es anisotrópica —es decir, depende de la dirección—, el baile se complica.

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.

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 niobio es un metal que, al enfriarse a unos pocos grados por encima del cero absoluto, conduce la corriente sin resistencia. En los laboratorios se deposita en finas pistas sobre un sustrato, como si se extendiera crema sobre un pastel.

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.

El hielo en una sartén caliente no solo se derrite: también se mueve. Debajo se forma una fina capa de agua y el trozo se desliza como si estuviera engrasado. La velocidad de ese deslizamiento depende de la rapidez con la que el calor atraviesa la película de agua y de la inclinación de la pendiente.

Un motor térmico común es como un molino entre dos orillas de un río, una caliente y otra fría: cuanto mayor es el desnivel, más fuerte es la corriente. Aquí el desnivel es diminuto, de solo uno o dos grados, pero el agua aún puede hacer girar la rueda.

Ciertos materiales, cerca del cero absoluto, superconducen: la electricidad fluye sin pérdidas. La temperatura crítica marca el inicio. John Bardeen y sus colegas explicaron que las vibraciones atómicas unen a los electrones en pares de Cooper.

Una célula es una ciudad donde diminutos motores trabajan sin cesar. Transportan cargas, mueven cilios y hacen que los músculos se contraigan. Todo ese trabajo desprende calor, como se calienta el motor de un automóvil. Pero medir ese calor en un motor individual de unos pocos nanómetros no es tarea fácil.

Una olla en la cocina recibe calor, pero no trabajo: el gas bajo la tapa simplemente se calienta. ¿Y si la cocina no fuera normal, sino cuántica? Entonces el calor y el trabajo pueden llegar a la vez, como de un motor que además calienta. En el nuevo trabajo se describe precisamente ese caso: un sistema clásico —por ejemplo, un péndulo o un espejito— se baña en un medio cuántico.

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.

Los glaciares no se oscurecen solo por el hollín. En su superficie viven diminutas algas que, con el calentamiento, proliferan y vuelven el hielo oscuro. El hielo oscuro absorbe más luz solar, se derrite más rápido y calienta aún más el planeta. Es como una camiseta negra al sol, que se calienta más que una blanca. El segundo protagonista del sobrecalentamiento son los bosques.

En un congelador, el agua común se convierte en hielo, pero en las células vivas ese hielo es una catástrofe: los cristales afilados desgarran las membranas como agujas que pinchan un globo. Los científicos que preservan células para la medicina han aprendido a evitar este desastre, pero cada método habla su propio idioma.

Una mota de polvo cósmico está cubierta de hielo, y sobre ese hielo, como en una diminuta cocina, se preparan moléculas. Una de ellas es el metanol, un alcohol que en el espacio sirve como materia prima para compuestos más complejos.

Una fina lámina de carbono, similar a una delicada red de triángulos, hexágonos y octágonos, reposa sobre un sustrato. Por sí misma no es superconductora: los electrones se mueven en ella de manera desordenada, chocando con los átomos. Pero basta con estirar uniformemente esta lámina, como se tensa un lienzo sobre un bastidor, y el panorama cambia.

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.

Un motor común quema combustible y pierde montones de energía en forma de calor: lo dictan las leyes de la termodinámica. Un motor cuántico actúa de manera diferente: su combustible no es el calor, sino un ritmo perfecto. Los físicos llaman a esa ritmicidad coherencia cuántica.

El agua siempre fluye hacia abajo, y el calor, de lo caliente a lo frío. Así lo dicta la энтропия. Pero el mundo cuántico encuentra atajos. Los físicos hicieron que partículas de luz interactuaran con un medio caliente y otro frío en una secuencia incierta, como una moneda lanzada que aún no ha caído.