transporte de calor cuántico

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 grafeno, una lámina de carbono de un átomo de espesor, puede cambiar sus propiedades magnéticas como el agua cambia de forma: ora fluye, ora se congela en hielo. En el nuevo trabajo, los físicos han mirado por primera vez dentro de este proceso con un sensor del tamaño de la punta de una aguja.

El agujero negro de Kerr-NUT no es solo una aspiradora cósmica. Es una solución de las ecuaciones de Einstein en la que el agujero tiene masa, rotación y un extraño parámetro NUT. Se comporta como una carga magnética para la gravedad: aunque parece invisible, altera las propiedades del espacio circundante.

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.

La espintrónica promete transmitir información no con carga, sino con espín, liberando a la microelectrónica de su principal enemigo: el calentamiento Joule.

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.

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.

En una olla, el agua hierve: las burbujas burbujean y el calor se escapa rápidamente al aire. En el centro del reactor de fusión ARC, el plasma se comporta de manera similar, solo que en lugar de burbujas hay vórtices turbulentos, y en lugar de aire, un campo magnético que debe retener el calor. Los vórtices estorban: transportan calor hacia afuera y enfrían el plasma.

Una olla de sopa olvidada en la estufa se enfría hasta alcanzar la temperatura ambiente. Parece que todo ha llegado al reposo. Pero si uno mira dentro con una lupa cuántica, descubre que las moléculas de agua no se han congelado: continúan su danza. Solo que ahora esa danza se ha vuelto uniforme, no turbulenta como cuando hervía.

En los metales que conocemos, como el cobre, los electrones se mueven casi independientemente, como coches en una autopista despejada. La resistencia surge de colisiones raras y puede describirse con fórmulas sencillas.

En una cacerola con sopa hirviendo, las corrientes turbulentas llevan el calor hacia las paredes y la sopa se enfría. En un tokamak — una enorme botella magnética para el plasma — ocurre lo mismo: los remolinos de turbulencia arrastran la energía hacia afuera, impidiendo encender la reacción de fusión.

Entre los imanes hay maestros silenciosos de la transformación. Un imán común atrae clips y tiene dos polos: norte y sur. Pero hay materiales que por dentro están dispuestos como un tablero de ajedrez magnético: sus átomos se alinean en un orden estricto, pero por fuera el material se comporta de manera neutra, como si el imán no existiera. A estos materiales se les llama altermagnetos.

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.

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.

El plasma caliente en un tokamak se parece a una bestia caprichosa: hay que contenerlo, pero sin dejar que se sobrecaliente. En el reactor ASDEX Upgrade han encontrado un modo en el que los vórtices del plasma resuelven este problema por sí solos.

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.

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.

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.

Toda máquina, ya sea el motor de un coche o un diminuto nanorefrigerador, funciona con temblores. El combustible no se quema de manera uniforme, los electrones atraviesan los contactos sin seguir un horario, y la aguja de potencia en los instrumentos vibra ligeramente. Estas vibraciones se denominan fluctuaciones.

Si haces pasar corriente por un cable, el cable se calienta. Esto lo sabe cualquiera que haya tocado un cargador de teléfono. Los físicos llaman a este calentamiento efecto Joule, en honor a James Joule, quien a mediados del siglo XIX midió cuánto calor produce la electricidad.

Los cubitos de hielo en un vaso se derriten y el agua se mezcla por sí sola. Así se comportan muchos sistemas cuánticos: las partículas intercambian energía y, al cabo de un tiempo, el orden desaparece. Pero si añades una cucharada de miel al vaso, la mezcla se ralentiza, y con frío intenso el agua se congela en vidrio: sin red cristalina, pero también sin fluidez.

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.

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.

En un criostato de dilución enfriado a 170 milikelvin nace un estado coherente del campo de microondas. Es luz láser con incertidumbre mínima: su amplitud y fase están definidas con la máxima precisión que permite la mecánica cuántica.

Una ola rompe en la arena y deja un dibujo de espuma y conchas. Un instante después retrocede, pero las huellas ya no son las mismas: la arena queda alisada, las conchas volteadas. Algo parecido ocurre en el mundo cuántico cuando un sistema pasa de un estado de no equilibrio hacia el equilibrio.

El entrelazamiento cuántico es como un resorte invisible entre partículas: aprietas una y la otra se mueve, sin importar dónde esté. En el nuevo trabajo, los físicos construyeron un modelo de cuatro espines (pequeñas agujas magnéticas) en una cadena, donde los espines extremos están sujetos por un campo magnético local.