temperatura del helio líquido

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.

Una película transparente de óxido de bismuto y wolframio reposa sobre un sustrato sin conducir la corriente. Tres minutos en una nube de plasma de nitrógeno bastan para que se vuelva negra y su resistencia caiga mil millones de veces.

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.

En el interior de los subneptunos, los planetas más abundantes de la galaxia pero en los que no se puede pisar, el magma de silicato y el hidrógeno se mezclan en un único cóctel supercrítico. Antes se pensaba que bajo la densa atmósfera de hidrógeno había un límite nítido con el silicato fundido, como aceite sobre agua.

El neutrón es una partícula que normalmente reside en el núcleo atómico y no desaparece. Pero algunas teorías sugieren que, en ocasiones, podría transformarse en su gemelo invisible: una partícula imposible de detectar con los detectores convencionales.

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.

Un cristal de yoduro de sodio dopado con talio es como una película fotográfica para partículas invisibles. Cuando un rayo gamma o una hipotética partícula de materia oscura incide en él, emite un destello de luz débil. Dos fotomultiplicadores de silicio, presionados contra los extremos del cristal, captan ese destello desde ambos lados.

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.

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.

Una tetera hirviendo en la estufa se evapora por completo con el tiempo; así, según las ideas clásicas, un agujero negro debería desaparecer gradualmente entre silbidos de radiación. Pero, ¿y si le añadimos un ingrediente especial a la tetera?

Una lámina de cerámica tan fina como una película de jabón, y por ella fluye corriente sin la menor resistencia. Así se ve la superconductividad lograda en niquelatos, parientes de los famosos superconductores de cuprato.

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 agua no es simplemente una sustancia mojada. A escala de picosegundos, se asemeja a una pista de baile donde las moléculas rompen y crean enlaces continuamente. Normalmente, este baile se describe con un movimiento principal: la relajación colectiva, como si toda la multitud se desacelerara al mismo tiempo después de apagar la música.

Un alfarero traza un patrón con un cincel afilado sobre una baldosa de arcilla aún húmeda. Un movimiento en falso y la línea se emborrona, la baldosa se agrieta. Algo así es como trabajan los físicos con películas del superconductor de alta temperatura YBCO (un compuesto de itrio, bario, cobre y oxígeno).

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.

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.

Una tetera común: la calientas, sube la temperatura y con ella el desorden molecular, sale vapor. Pero en el laboratorio crearon una «tetera» inusual: un agujero negro analógico hecho de circuitos superconductores enfriados al límite.

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.

El plutonio es un metal con carácter. Una de sus formas se contrae al enfriarse, otra se hincha. Pero a temperatura ambiente la aleación se comporta de manera extraña: la regla dice una cosa y los rayos X dicen otra. La regla indica que la muestra apenas crece, mientras que los rayos X ven cómo los átomos de la red cristalina se separan cada vez más.

Un superconductor no deja que el campo magnético penetre en su interior. Pero si el campo es intenso, acaba entrando, no como un flujo continuo, sino en forma de hilos de vórtice individuales, parecidos a pequeños tornados. Dentro de cada hilo, la superconductividad queda destruida, y alrededor fluye una corriente que no se atenúa.

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.

Una olla de aluminio en la estufa se derrite a 660 grados Celsius, eso lo sabe cualquiera. Pero, ¿qué pasa si se calienta el aluminio cien veces más? El líquido empezará a hervir, y aquí comienza el enigma: ¿a qué temperatura exacta ocurre?

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.

Cualquier cocinero sabe que si la masa se pega a la sartén depende de lo que ocurre en la frontera entre dos medios. Para los metales fundidos, esa frontera permaneció invisible durante mucho tiempo: las temperaturas superiores a 200 °C impedían ver átomos individuales.

Los electrones en un cristal a veces se comportan como una multitud en un estadio creando una «ola»: las zonas de mayor densidad se alternan con otras casi vacías. Esta ola bloquea el movimiento libre de las cargas: en condiciones normales, el material no es superconductor. Pero al aplicar presión, la ola desaparece y los electrones empiezan a moverse sin pérdidas.

Un ordenador cuántico se parece a una orquesta donde cada músico toca su parte, pero basta con que el director agite la batuta un poco más fuerte para que los instrumentos más delicados se desafinen por el calor extra. Controlar cúbits a 10 mK (300 veces más frío que un congelador) es como dirigir una orquesta en una sala helada, donde incluso el aliento puede estropearlo todo.

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.

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.

En un cristal sólido, parecido a un pastel de capas de átomos de lantano, oxígeno e hidrógeno, la electricidad no la transportan los electrones, sino los propios iones de hidrógeno. Normalmente, un ion en un cristal se sienta en su celda como un guisante en su vaina, y solo de vez en cuando salta a una celda vacía vecina. Pero en este material todo es diferente.

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.

Un bit cuántico es como una peonza que debe girar durante mucho tiempo sin tambalearse. En el germanio, los científicos han aprendido a poner en marcha estas peonzas, pero el suelo siempre tiembla: las interferencias eléctricas perturban el giro.

Las computadoras cuánticas prometen resolver problemas inaccesibles para las máquinas convencionales, pero su corazón — los cúbits — exige temperaturas ultrabajas, cercanas al cero absoluto. Por lo general, controlar los cúbits y leer su estado se hace desde una sala templada, tendiendo muchos cables a través del refrigerador.

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.

Una capa de electrones atrapada entre dos láminas de un semiconductor, a baja temperatura, se ordena en una red perfecta, como cuentas en un hilo tenso entre los dedos. Cuando la temperatura sube, el orden se rompe: el cristal se funde. Pero cómo ocurre exactamente esa fusión fue durante mucho tiempo un misterio.

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.