enfriamiento láser

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.

Un rayo láser impacta en un blanco delgado escondido entre capas de otro material. En milmillonésimas de segundo, la materia se comprime hasta una densidad de 25 gramos por centímetro cúbico, como si un trozo de plomo se volviera más de dos veces más pesado sin moverse de su sitio.

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.

Un receptor de radio del tamaño de la palma de la mano puede medir la potencia de la señal con más precisión que los costosos bancos de laboratorio. En su interior no hay bobinas ni antenas, solo una cabeza de vidrio y una nube de átomos de rubidio enfriados casi hasta el cero absoluto.

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.

La carrera por la energía de fusión se parece a intentar atrapar un rayo en una botella. Durante décadas, los físicos han luchado por recrear en la Tierra los procesos que alimentan al Sol.

El rayo láser no solo calienta, también puede calmar el movimiento. Cuando la luz entra en una trampa de espejos, ejerce presión sobre ellos, y si se ajusta correctamente el color del rayo, esa presión se convierte en un suave frenado. Así se enfrían las diminutas oscilaciones mecánicas hasta casi el cero absoluto.

El Sol es una caldera gigante donde la luz se abre paso a través de una espesa capa de materia incandescente. En su camino hacia la superficie, los fotones (partículas de luz) chocan constantemente con los átomos y pierden energía. La medida en que la materia retiene la luz se denomina «opacidad», y de ella depende la rapidez con que el calor escapa hacia el exterior.

Atrapar una molécula individual en un rayo de luz y casi detener su movimiento es una tarea similar a intentar sostener una pelusa en una corriente de viento. Una partícula demasiado caliente se escapa de la trampa, por lo que los físicos primero la calman con enfriamiento láser.

El vacío no es tan vacío como parece. Si un observador se mueve con aceleración, el vacío a su alrededor se calienta: esto lo predijo William Unruh ya en los años 1970. El efecto es similar a la radiación de un agujero negro, pero en un espacio plano.

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.

El péndulo más preciso del mundo no es una barra de acero, sino un diminuto núcleo atómico. El isótopo torio-229 tiene un estado excitado especial: para llevar el núcleo a él se necesita muy poca energía, similar a la de un láser ultravioleta.

Un péndulo que casi nada puede desviar: no le afectan ni las sacudidas, ni el calor, ni los campos magnéticos, porque está escondido en el mismísimo corazón del átomo. Ese es el péndulo que han utilizado los físicos al poner en marcha por primera vez un reloj nuclear. Antes, los mejores relojes, los ópticos, funcionaban con transiciones de electrones.

Un agujero negro es como un carbón que se creía que ardía lentamente para siempre, pero que al final debería apagarse y evaporarse sin dejar rastro. Así lo predijo Stephen Hawking: los procesos cuánticos en el horizonte de sucesos (la frontera de la que ni siquiera la luz puede escapar) generan un débil resplandor, y el agujero pierde masa lentamente.

Los pequeños imanes dentro de los átomos —los espines nucleares— pueden "congelarse" durante largos minutos en un cristal frío. Esto dificulta el ajuste rápido de los sensores cuánticos: todo tarda demasiado en alcanzar el estado deseado. Los físicos han encontrado una manera de impulsarlos con luz.

La bombilla se enciende solo en la habitación adecuada. Así funcionan aproximadamente los fármacos fotoactivables: se "encienden" únicamente donde se dirige la luz y no tocan el resto del organismo. Esto es especialmente importante en el tratamiento del cáncer: la quimioterapia convencional golpea a todas las células en división por igual, causando graves efectos secundarios.

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.

Dos motas diminutas de polvo flotan en el cruce de rayos láser. Cada una se sostiene con sus propias «pinzas»: un haz enfocado que impide que la partícula caiga. Dentro de una cavidad de espejos, la luz rebota entre las paredes y sus oscilaciones se acoplan al temblor de las motas.

Una cacerola de aluminio común en la cocina no emite moléculas que se puedan atrapar con luz. Pero si se toma aluminio y una sal de aluminio, y se calientan juntos en un pequeño horno, se obtiene un flujo de moléculas de fluoruro de aluminio, como un chorro de vapor del pico de una tetera, solo que en lugar de gotas de agua vuelan partículas diminutas.

El agua en una taza se enfría en minutos. El gas en una habitación la llena uniformemente en segundos. Pero si metes átomos en un tubo del grosor de un rayo láser y los excitas bien, tardarán varios segundos en «enfriarse» hacia el equilibrio: toda una eternidad a escala atómica.

El láser normalmente calienta. Pero en algunos cristales, la luz puede llevarse el calor, como si una tetera se enfriara bajo una lámpara brillante. En el diamante, ese trabajo lo hacen los defectos: lugares donde en lugar de carbono hay un átomo de nitrógeno y, junto a él, un hueco.

El diamante es el material natural más duro, y normalmente su tallado se parece al trabajo de un escultor con un martillo neumático: brusco, con grietas y astillas.

Un rayo láser estable es como una cuerda tensa: si vibra aunque sea un poco, la música se convierte en cacofonía. En una computadora cuántica, el láser mantiene los átomos atrapados, y cualquier vibración en la frecuencia rompe el cálculo. Por eso, antes, los montajes láser ocupaban mesas enteras y su ajuste tomaba semanas.

El gas es casi invisible, pero tiene temperatura, y esta puede leerse por cómo el gas "tapa" el fondo térmico. En el experimento, una cámara observa una pantalla cálida a través de un chorro de dióxido de carbono. Si el gas está más frío que el fondo, aparece como una mancha oscura; si está más caliente, como una clara.

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.

Las moléculas ultrafrías son un material prometedor para la computación cuántica, pero reunirlas en un arreglo ordenado, como huevos en una caja, no es tarea fácil. Se ha propuesto un método para cargar moléculas una a una en pinzas ópticas o redes directamente desde el gas.

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.

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.

Un frigorífico normal de cocina enfría todo a una misma temperatura. Pero en los laboratorios donde se estudian fenómenos cuánticos, a menudo se necesitan dos niveles de frío diferentes a la vez. Antes, para ello se montaban dos circuitos de refrigeración separados: voluminosos y pesados.

La luz de los diminutos cristales de perovskita es como la actuación de un coro, donde las voces suenan unas veces solas y otras en un dúo armonioso. Antes, ese dúo solo podía escucharse con un enfriamiento extremo, casi hasta el frío del espacio. Ahora, el coro canta a temperatura ambiente.

En el fondo de los cráteres lunares, donde el Sol nunca llega, reina un frío eterno: alrededor de menos 240 grados Celsius. En estos bolsillos de hielo, llamados regiones permanentemente sombreadas, se planea instalar un resonador de espejos de silicio monolítico.

La luz y la materia en el mundo diminuto siguen leyes difíciles de calcular incluso con supercomputadoras. Los físicos construyen 'simuladores cuánticos' especiales: instalaciones donde átomos fríos hacen el papel de partículas y campos.

Un ion de calcio en una trampa magnética se asemeja a una bolita que no deja de temblar por el calor. Para lograr que se quede quieta, los físicos suelen dispararle con láseres desde distintos lados. Pero en el nuevo experimento bastó con un solo rayo dirigido a lo largo del eje de la trampa.

La luz de una bombilla ordinaria es un flujo de fotones individuales, como gotas de un grifo. Pero existe luz donde los fotones viajan en parejas, como gemelos que caminan juntos. Esta luz agrupada se ha querido usar durante mucho tiempo para medir distancias y fotografiar objetos ocultos tras una esquina.

Un láser normal amplifica la luz hasta convertirla en un haz brillante. Si se invierte ese proceso, se obtiene un antiláser: un dispositivo que absorbe la luz por completo. Pero esta máquina es caprichosa: basta un ligero desorden para que la absorción falle. Los físicos han encontrado la manera de hacer que un antiláser sea invulnerable.

Enfriar suele imponer orden: el agua se congela en hielo. Pero en el mundo cuántico, el orden adopta formas inesperadas. Los experimentadores enfriaron polaritones —partículas que son a la vez luz y materia— casi hasta el cero absoluto.

Un trozo de material brilla en azul. Lo calientas y la luminiscencia se vuelve verde, como si alguien hubiera cambiado el color en un semáforo. Así funciona el nuevo termómetro luminiscente descrito en el artículo. Dentro del material hay iones de terbio, un metal de tierras raras que sabe brillar. A temperatura ambiente emiten luz azul.

Un rayo láser, como un cincel fino, quema el oxígeno de una película superconductora. Donde hay menos oxígeno, el material deja de conducir corriente sin resistencia. Los científicos usaron este truco para dibujar patrones en la película que cambian sus propiedades.

Cinco átomos de calcio cargados flotan en una trampa, sostenidos por campos eléctricos. El enfriamiento por láser les quita el exceso de energía y se alinean formando una diminuta pirámide de base cuadrada. Pero esta pirámide no permanece estática: de vez en cuando se voltea, como si alguien la lanzara al aire y la atrapara boca abajo.

La luz normal siempre tiembla un poco: su brillo y color fluctúan, como el aire en un globo inflado después de un golpe. En la luz «comprimida», estas fluctuaciones se redistribuyen, como si se apretara el globo por un lado, haciéndolo más delgado aquí y más grueso allí, pero el volumen total es el mismo. Así se sacrifica precisión en un aspecto para ganar en otro.