helio líquido

En la cámara oscura de la trampa, miles de partículas cargadas danzan bajo los campos eléctricos. Al principio se mueven libremente, como una multitud en una plaza, pero en cuanto se enfría la nube, la danza se ralentiza: los iones empiezan a sentirse entre sí, sus pasos se vuelven rígidos.

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.

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.

En la fría nube TMC-1, donde la temperatura no supera los diez grados por encima del cero absoluto, las moléculas apenas se encuentran entre sí. Pero de vez en cuando un átomo de helio las atraviesa, y ese breve contacto basta para que la molécula cambie su rotación. Son precisamente esas colisiones las que determinan qué radiación vemos desde la Tierra.

Un traductor universal para todos los dialectos del sodio. El sodio líquido en un reactor se comporta de manera diferente: junto a la pared de la tubería es denso y rápido, en la superficie de ebullición es diluido y lento. Antes, para cada uno de estos estados se necesitaba un conjunto separado de cálculos, como si para cada frase hubiera que contratar a un traductor nuevo.

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.

Dentro de un yunque de diamante que comprime la muestra con una fuerza millones de veces superior a la presión atmosférica, una fina película de lantano se encuentra con el hidrógeno. El hidrógeno proviene del amoníaco-borano, un polvo que al calentarse libera su hidrógeno, como una esponja suelta el agua.

Una bola de billar flota en el aire. Desde una cerbatana salen diminutos guisantes hacia ella. Cada golpe es apenas perceptible, pero si la bola es muy ligera y casi no vibra por el calor, se pueden distinguir los impactos individuales.

Un cable normal se calienta cuando circula corriente: parte de la energía se pierde. El superconductor no tiene ese defecto: la electricidad fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. El problema es que la mayoría de los superconductores requieren temperaturas muy bajas o presiones colosales, como las del interior de los planetas.

Un puente por el que peatones y ciclistas circulan en el mismo flujo sin estorbarse. Así funcionan, más o menos, los sistemas híbridos de superconductores y semiconductores: unos transportan corriente sin pérdidas y otros controlan esa corriente.

El radiotelescopio FAST, con su antena de quinientos metros, captó una señal en la longitud de onda de 21 centímetros, la forma en que brilla el hidrógeno frío. La señal provenía de una nube bautizada como Cloud-9. Flota en el espacio junto a la galaxia M94, pero no contiene ni una sola estrella.

Un trozo de película más delgado que un cabello humano se colocó entre yunques de diamante y se comenzó a comprimir. La presión aumentaba: cien mil atmósferas, medio millón, un millón... Y el material seguía conduciendo corriente sin resistencia.

Muchos materiales se comportan como un hielo caprichoso: a una presión se derriten y a otra se vuelven más duros. Los superconductores de la familia de los cupratos no son una excepción. Su capacidad para conducir corriente sin pérdidas depende de cuán comprimida esté la red cristalina.

El río se bifurca. Un brazo es ancho y rápido; el agua fluye suavemente, pero al aumentar la temperatura la corriente se ralentiza: aparecen remolinos y olas. El segundo brazo es estrecho, con rápidos, donde el agua salta de piedra en piedra. Este flujo, por el contrario, se vuelve más vivo con el calor.

El espacio vacío no está tan vacío como parece. Según la teoría cuántica, el vacío está lleno de partículas que continuamente se crean y se destruyen.

La familia de los niquelatos son cristales en capas, parecidos a una pila de panqueques: las capas de níquel y oxígeno se alternan con intercapas de lantano.

El Sol es un reactor nuclear gigante que nos envía luz y calor sin cesar. Pero también tiene otro correo, casi silencioso: cada segundo, decenas de miles de millones de neutrinos —partículas fantasma nacidas en el horno termonuclear— atraviesan un centímetro cuadrado de tu palma. La mayoría no deja ni rastro.

Un sándwich donde, en lugar de pan, hay capas de óxido de cobre y entre ellas una fina capa de iones de estroncio. Eso es el cuprato de capas infinitas, la variante más simple de la cerámica superconductora, ideada hace casi 40 años.

Un imán del tamaño de un grano de arroz flota en el vacío sin tocar las paredes. Lo sostiene el campo magnético de una trampa superconductora: un anillo enfriado a un estado en el que la corriente fluye sin resistencia.

Una diminuta esfera de una fracción de miligramo, suspendida en un campo magnético y enfriada casi hasta el cero absoluto, oscila 110 horas sin detenerse: un récord de aislamiento. La pérdida de energía es tan pequeña que la entropía del sistema casi no aumenta, y cualquier influencia externa se vuelve detectable.

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.

Una gigantesca olla de sopa hirviendo se extiende a lo largo de millones de años luz. Es la atmósfera del cúmulo de galaxias de Perseo: una nube de gas incandescente mantenida por la gravedad. Hasta hace poco, los astrónomos creían que en el centro de esta olla el gas se enfriaba tranquilamente, preparándose para convertirse en nuevas estrellas.

El cristal que prometía conducir electricidad sin pérdidas a temperatura ambiente resultó ser como un castillo de naipes: tócalo y se desmorona. Dos compuestos, uno con plata y otro con oro, se consideraban candidatos a superconductores, pero la prueba mostró que ambos no resisten ni siquiera las condiciones normales. En la variante de plata, la red simplemente colapsa.

Un trozo de metal al rojo vivo en un horno es como una sartén en la cocina: cuanto más fuerte es el calor, más rápido se transmite a la mano si la tocas. Pero a temperaturas en las que el metal ya está cerca de fundirse, medir esa velocidad es muy difícil: los sensores no se adhieren bien, el calor se escapa al aire y la propia muestra brilla y confunde los instrumentos.

Un transistor normal de un teléfono se crea en una cámara de vacío, donde los átomos se depositan capa a capa. Es caro y lento. Pero el óxido de indio se puede imprimir como tinta: a partir de una gota de metal líquido que, al aire, se cubre sola con una fina película de óxido. Los autores tomaron indio, lo fundieron y lo extendieron sobre un sustrato a 250 grados.

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 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.

Una película fina como una telaraña, hecha de cinco metales, recibió el impacto del láser. En su interior, la presión saltó hasta 55 gigapascales, como si cien elefantes se pusieran sobre una uña. La aleación resistió y, durante una fracción de nanosegundo, se comprimió sin romperse.

Una capa delgada de semiconductor a baja temperatura se comporta como una cacerola con miel: los electrones no fluyen individualmente, sino como un líquido espeso. Si se hace pasar una corriente alterna a través de dicha capa, la resistencia responde con una curva suave.

El hidrógeno es el campeón en energía por kilogramo, pero almacenarlo es un dolor de cabeza. En forma de gas ocupa un volumen enorme, y si se comprime o se enfría hasta licuarlo, se necesitan tanques pesados y mucha energía. Hay un tercer camino: algunos materiales sólidos absorben hidrógeno como una esponja absorbe agua y lo retienen en su interior.

La superconductividad es la capacidad de un material para conducir electricidad sin pérdidas. Los cables normales se calientan y parte de la energía se convierte en calor, mientras que un superconductor deja pasar la corriente sin resistencia.

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.

La soldadura convencional no sirve para circuitos cuánticos: al enfriarse hasta la temperatura del helio líquido, el metal se agrieta y los contactos introducen ruido.

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 cable normal se calienta cuando lo atraviesa la corriente. Un superconductor, no. Pero casi todos los superconductores conocidos funcionan o a temperaturas muy bajas o bajo presiones enormes, como en el interior de los planetas. Los científicos llevan tiempo buscando un material que evite esos extremos.

Un haz de rayos X incide sobre un trozo de superconductor y este se calienta de forma casi imperceptible. Ese aumento de temperatura, de milmillonésimas de grado, es la única huella que deja la luz. El nuevo detector lo capta, como un termómetro muy sensible pegado a un metal frío.

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.

Una película delgada de nitruro de silicio se estira sobre un marco, como la piel de un tambor. Ante el más mínimo empujón de las moléculas de gas, tiembla. Un rayo láser, conducido por una fibra de vidrio, detecta ese temblor y lo convierte en una cifra de presión. Todo el montaje cabe en un bolsillo, y no en una mesa óptica.

Una computadora cuántica es una máquina donde, en lugar de bits ordinarios, trabajan los cúbits. Un cúbit puede ser no solo cero o uno, sino ambos a la vez. Una forma de crear un cúbit es tomar un electrón y hacer que flote sobre la superficie de helio líquido.