baño térmico

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.

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.

Una computadora normal calcula haciendo circular cargas eléctricas por los cables. ¿Y se puede calcular con calor? Una red de tubos por los que circula agua caliente y fría puede realizar operaciones lógicas simples si se conectan los tubos en el orden adecuado.

Tira una piedra a un estanque y verás círculos en el agua. De manera similar, cualquier cuerpo, incluso el más pequeño, perturba el campo gravitatorio a su alrededor. En el vacío frío del espacio, estas perturbaciones, como ondas en una superficie tranquila, hacen que dos objetos cercanos siempre se repelan.

Una piedra cae en un estanque y se forman círculos en el agua. De manera similar, los cuerpos masivos generan ondas gravitacionales, solo que aquí es el propio espacio el que oscila. Hasta ahora, estas ondas se han detectado con enormes detectores: estos se estremecen ligeramente cuando una onda los atraviesa. ¿Y qué ocurre a nivel microscópico, dentro de un diminuto trozo de materia?

En un horno, al subir la temperatura, las moléculas se mueven más rápido y el desorden aumenta. Con los modelos de lenguaje como ChatGPT ocurre lo contrario. Cuando los desarrolladores aumentan el parámetro de «temperatura», el modelo tiene acceso a una selección más amplia de palabras, pero sus textos largos de repente se quedan en bucle.

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.

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.

En la termodinámica clásica, las máquinas térmicas son como un músico virtuoso en el escenario: cuanto más cerca de la perfección en la ejecución (eficiencia de Carnot), más lento es el tempo (potencia).

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 tunelamiento cuántico — la capacidad de las partículas de atravesar barreras prohibidas por la física clásica — alimenta las estrellas con fusión termonuclear, enciende la nucleosíntesis primordial y nos da la memoria flash.

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.

El bit cuántico (cúbit) es una construcción sumamente delicada. Incluso un leve calor lo destruye, como un empujón accidental derriba una copa de cristal. Para proteger la frágil información, los físicos han creado una estructura cuántica tridimensional que recuerda a una matrioska.

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.

El conductor gira el volante para que el coche doble. En el mundo cuántico también hay "volantes": parámetros externos que se cambian suavemente para trasladar partículas de un lugar a otro.

El vapor que se eleva sobre un metal caliente es una vista familiar en la cocina. Pero si en lugar de agua usamos rubidio, esa nube se convierte en una batería. No funciona mediante reacciones químicas, sino gracias a la coordinación cuántica de los átomos.

Una tetera se enfría sobre la mesa. El calor se escapa al aire y se desperdicia. Sin embargo, se podría exprimir un poco de electricidad de ese calor. Los dispositivos que logran esto se llaman generadores termomagnéticos. En su interior no hay pistones ni turbinas, solo un material que cambia sus propiedades magnéticas al calentarse y enfriarse.

Un cúbit es como una cuerda que debe quedar inmóvil antes de que comience la melodía. Si vibra, la música arranca con una nota falsa. En las computadoras cuánticas, los cúbits superconductores hacen las veces de esa cuerda. Antes de cada cálculo hay que calmarlos hasta su estado fundamental; de lo contrario, los errores son inevitables.

En el helio superfluido, un vórtice se parece a un tornado en una botella, pero en lugar de agua hay un líquido cuántico que fluye sin fricción. Ese vórtice no se disipa por sí solo, así que la pregunta de dónde va a parar su energía permaneció abierta durante mucho tiempo.

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.

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.

Cuando los servidores de un centro de datos trabajan a plena potencia, se calientan como una plancha olvidada. Ese calor se pierde, y para enfriarlos se gasta aún más energía. Unos ingenieros de Alemania han propuesto aprovechar ese calor: que sea él mismo quien impulse el líquido por tubos finos, sin motores ni bombas. Su dispositivo parece una cajita plana con el fondo asimétrico.

La batería cuántica funciona como una esponja que absorbe luz, pero no la libera sin un exprimido forzado. La inspiración provino de las trampas solares naturales de las bacterias: al capturar fotones solares, demostrado por espectroscopía, transmiten energía casi sin pérdidas.

Si remueves azúcar en un vaso, parece que el agua se mueve al azar. Pero dentro de un reactor químico con agitador, el líquido no solo burbujea: forma «islas» ocultas que apenas intercambian contenido. Los científicos encontraron una manera de ver estas islas siguiendo las trayectorias de partículas diminutas.

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 olla en la cocina recibe calor, pero no trabajo: el gas bajo la tapa simplemente se calienta. ¿Y si la cocina no fuera normal, sino cuántica? Entonces el calor y el trabajo pueden llegar a la vez, como de un motor que además calienta. En el nuevo trabajo se describe precisamente ese caso: un sistema clásico —por ejemplo, un péndulo o un espejito— se baña en un medio cuántico.

Una computadora cuántica de iones atrapados hizo las veces de un pequeño universo. En él, las partículas no solo se movían, sino que se tejían en nudos que cambian sus propiedades al intercambiar posiciones. Estos nudos se llaman anyones de Fibonacci: no son partículas ordinarias, sino más bien vórtices en el tejido del espacio.

La idea del universo en expansión, propuesta por Georges Lemaître, adquiere una analogía inesperada. El espacio se comporta como un pistón en un cilindro: la energía oscura lo empuja, como el vapor.

Para disolver azúcar rápidamente, no hace falta remover con cuidado: basta con agitar el vaso. Un principio similar funciona en los sistemas cuánticos: el ruido, que normalmente se considera una interferencia, acelera la transición al estado térmico.

Un motor común quema combustible y pierde montones de energía en forma de calor: lo dictan las leyes de la termodinámica. Un motor cuántico actúa de manera diferente: su combustible no es el calor, sino un ritmo perfecto. Los físicos llaman a esa ritmicidad coherencia cuántica.

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 el mundo cuántico, las partículas pueden atravesar paredes: eso es el efecto túnel cuántico. Si colocamos un detector justo en el camino de ese paso "fantasmal", la detección actúa como un pistoletazo de salida: la partícula recibe un fuerte empujón y sale de la barrera con un exceso de energía, convirtiéndose en un diminuto motor.

Los físicos utilizaron un simulador cuántico —un dispositivo que imita el comportamiento de partículas cargadas— para estudiar sus colisiones a energías enormes. Según el Modelo Estándar, las leyes del micromundo, el sistema debería transitar rápidamente al caos, donde la entropía es máxima.

Los átomos, como un enjambre de luciérnagas, brillan al unísono. Cuando destellan simultáneamente, la luz se amplifica enormemente: cien átomos brillan diez mil veces más que uno solo. Los físicos han convertido este truco en un motor térmico. Un motor común necesita una fuente caliente y otra fría, pero aquí los átomos funcionan solo con una fría.

Una orquesta sin director, donde cada músico solo escucha el eco de la sala, puede crear una melodía poderosa. Así funciona la batería cuántica: muchas partículas inmersas en un entorno cálido no dispersan el calor, sino que lo intercambian de forma sincronizada. En lugar de caos, surge una carga ordenada.

Dos viajeros se dirigen a la misma meta. Uno parte más cerca, pero elige un camino rural sinuoso. El otro comienza más lejos, pero toma directamente la autopista. El segundo llega primero. En física cuántica, esta paradoja se conoce como efecto Mpemba cuántico: un estado inicialmente más alejado del equilibrio lo alcanza más rápido que uno más cercano.

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.