termómetro cuántico

Al canario no se lo llevaba a la mina por su canto. El pájaro caía de la percha antes de que el minero notara el monóxido de carbono. En el vacío ultraalto, el papel del canario lo desempeña una nube de cien mil átomos de litio o rubidio.

Un diminuto diamante, invisible al ojo, reposa sobre un chip y siente el calor como ningún termómetro común. En su interior se esconden dos defectos: lugares donde un átomo de carbono es reemplazado por uno de nitrógeno, y junto a él, un hueco.

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.

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.

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.

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 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.

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.

La radioterapia es un golpe dirigido contra el tumor, pero cada disparo debe calibrarse al milímetro y a la fracción de segundo. El problema es que los dosímetros existentes son voluminosos, distorsionan el haz o requieren pausas para la lectura.

Un servicio postal donde los mensajeros de repente dejan de moverse. Parecería que las cartas dejarían de llegar y la comunicación entre ciudades se interrumpiría. Pero ¿y si los propios sobres adquirieran la capacidad de cambiar de forma y transmitir mensajes a través de una red común sin moverse del sitio?

En una habitación, el aire toca la piel y sentimos su temperatura. Pero si el cuerpo de repente se lanzara con una aceleración colosal, el calor llegaría incluso desde el vacío absoluto.

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.

El calor nos rodea por todas partes: desde el tubo de escape de un automóvil hasta la carcasa de una computadora portátil en funcionamiento. Los materiales termoeléctricos podrían convertir ese calor residual en electricidad.

El vacío nunca está completamente vacío. En un espacio curvo —por ejemplo, en un universo en expansión o cerca de un agujero negro— el vacío se calienta. Esto recuerda a la situación en la que la aceleración hace que las partículas aparezcan como de la nada: un fenómeno conocido como radiación térmica del vacío.

Un diminuto defecto en un cristal de nitruro de boro se comporta como una lamparita indicadora. Al iluminarlo, brilla y el tono de esa luz depende de la temperatura: cuanto más calor, más rojo. Al mismo tiempo, si se irradia el defecto con microondas, su brillo comienza a parpadear al ritmo del campo magnético externo.

El mundo cuántico está lleno de transformaciones. A veces un sistema formado por unas partículas empieza a comportarse como si hubieran aparecido otras muy distintas.

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.

Un diapasón suena cada vez más débil no porque dejen de sostenerlo, sino porque la propia mano que lo golpea crea a su alrededor una suspensión invisible que amortigua las vibraciones. Algo parecido le ocurre a un resonador superconductor: una diminuta pista por la que una señal de microondas viaja casi sin pérdidas.

Una máquina térmica no tiene que ser de hierro. En el micromundo, el papel del pistón puede desempeñarlo un solo electrón, y en lugar de combustible, el propio proceso de medición. Dos "bolsillos" vecinos para electrones se conectan mediante un puente estrecho.

Una computadora cuántica de átomos neutros se parece a una biblioteca donde los libros no solo hay que leerlos, sino también devolverlos rápido al estante. La lectura lenta del resultado es como un bibliotecario lento que retrasa a toda la cola. Los científicos encontraron una forma de acelerar este proceso añadiendo ayudantes.

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.

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.

Una pila de papel: si las hojas están perfectamente alineadas, la luz las atraviesa de manera uniforme. Pero basta con girar una hoja unos pocos grados para que la imagen cambie. Algo similar ocurre con las capas de ciertos materiales: si las giras unas respecto a otras, sus propiedades cambian, a veces de forma radical.

El frigorífico magnético del futuro no zumbará con un compresor. En su lugar, enfriará los alimentos gracias a que un material especial se calienta en un campo magnético y se enfría cuando el campo se retira. Este ciclo se asemeja a la compresión y expansión de un gas en un frigorífico convencional, pero en lugar de un pistón, actúa un imán.

Una computadora cuántica es como una orquesta donde cada músico toca su parte, pero todos deben sonar en armonía. Hasta ahora, la mayoría de los circuitos cuánticos se construían con átomos idénticos, como si la orquesta tuviera solo violines. Ahora, los físicos han logrado que dos elementos distintos trabajen juntos: rubidio y cesio.

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.

Un sismómetro es el oído del planeta. Capta las mínimas vibraciones del suelo y las convierte en una señal eléctrica. Pero ese oído no es perfecto: su sensibilidad depende de la temperatura. En el frío y en el calor, el instrumento escucha de forma ligeramente distinta, y eso introduce un error en las mediciones.

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.

Un termómetro que no miente durante años. Los termómetros de resistencia ordinarios, incluso los muy precisos, con el tiempo empiezan a fallar: el material envejece, los contactos se oxidan y las lecturas se desvían.

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.

Una diminuta escama de cristal reposa sobre un sustrato como una hoja otoñal en la palma de la mano. Su grosor es menor que un cabello humano, y en su interior bullen efectos cuánticos: superconductividad, orden magnético, líquido de espín cuántico.

Un rayo láser atraviesa una cubeta de vidrio con vapor de rubidio, y por cómo los átomos absorben la luz se puede conocer su temperatura. Es como medir la velocidad de los coches por el desenfoque de una fotografía: cuanto más rápido se mueven los átomos, más ancha se vuelve la línea de absorción.

Dentro del refrigerador que enfría la materia casi hasta el cero absoluto late un corazón mecánico: el tubo de pulsación. Bombea gas y extrae calor, pero junto con el frío trae temblor. Cada latido de ese corazón sacude los instrumentos colocados junto a la muestra y arruina las mediciones delicadas.

Tanto geólogos como navegantes necesitan mediciones precisas de la gravedad. Pero los gravímetros convencionales son aparatos voluminosos que tardan en "asentarse" después de cada medición. ¿Y si hay que monitorear cambios rápidos en la atracción, por ejemplo, bajo tierra o en vuelo? Entonces se necesita un instrumento pequeño y receptivo.

Las fases topológicas suelen esconderse en criostatos. Los circuitos superconductores, los átomos ultrafríos, los pulsos láser: todos protegen el orden cuántico del ruido térmico.

El camino hacia el equilibrio para un detector cuántico se asemeja a una ruta de montaña: la subida siempre es más rápida que la bajada. Un átomo acelerado en el vacío, que siente las fluctuaciones cuánticas del campo, se calienta hasta la temperatura de Unruh.

Un termómetro sumergido en una muestra normalmente solo informa de la temperatura. Pero si la temperatura oscila ligeramente y la muestra responde con retraso, en esa respuesta se esconde algo más: la parte imaginaria de la capacidad calorífica, que, según se ha descubierto, sabe escuchar el eco cuántico del tiempo.

Una máquina térmica es como un velero: para avanzar necesita un gradiente. Normalmente, es la diferencia de temperatura entre el reservorio caliente y el frío. Pero, ¿y si el propio reservorio se moviera? El viento que hincha las velas no solo se debe a la diferencia de presiones, sino también al movimiento de las masas de aire.

Dos cúbits, que son bits cuánticos, sistemas de dos niveles, se deslizan a través de baños térmicos, uno caliente y otro frío. Uno se mueve a 0,8 veces la velocidad de la luz. En ese momento, la termodinámica convencional se resquebraja: un cúbit en movimiento percibe la temperatura de manera distinta a uno en reposo.