resistencia térmica de frontera

En un superconductor, donde los electrones se mueven en pares sin resistencia, pueden correr ondas especiales por los bordes, como ondas a lo largo del borde de una alfombra. El número de estas ondas es una característica importante del material, pero medirlo directamente es difícil.

Un interferómetro cuántico superconductor es un dispositivo que detecta campos magnéticos miles de millones de veces más débiles que la aguja de una brújula común. En su interior hay un puente estrecho donde la superconductividad se interrumpe por un instante.

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.

En un cristal, el calor viaja en ondas. Los átomos vibran, y esas vibraciones —llamadas fonones— transportan energía desde el borde caliente hasta el frío. Durante mucho tiempo se pensó que si los fonones entraban en resonancia (sus frecuencias coincidían exactamente) y podían intercambiar energía, el calor fluiría en avalancha. Resulta que no es así.

El clásico paradoja de Mpemba — el agua caliente se congela más rápido que la fría — ha intrigado a los científicos durante siglos. Recientemente, la mecánica estadística de no equilibrio explicó que todo depende de las condiciones de frontera; el sistema parece buscar una excusa para «chocar contra la pared» y acelerar el enfriamiento.

En los primeros instantes de la vida del universo, este se asemejaba a un caldero burbujeante. Al enfriarse, ocurrían transiciones de fase, algo así como cuando el vapor se convierte en agua, pero en lugar de moléculas, cambiaba el propio estado del espacio. En ese caldero nacían burbujas de la nueva fase, parecidas a las burbujas de una olla hirviendo.

Los mundos bidimensionales no dejan de asombrar: aquí incluso la fusión de un cristal no es una ruptura de simetría, sino un espectáculo de vórtices, descubierto por Kosterlitz y Thouless. En el corazón de este teatro están las singularidades topológicas, cuya energía y entropía negocian el orden.

Si metes dos termómetros idénticos en una olla con agua caliente, marcarán lo mismo, y nos tranquilizamos: la temperatura está bien medida. Pero en un gas enrarecido calentado a millones de grados, este truco deja de funcionar. Aquí las partículas casi no chocan entre sí, por lo que los electrones más rápidos se escapan, mientras que los lentos se acumulan en el centro.

Un puente de aluminio de unas pocas capas atómicas de espesor es el corazón de muchos dispositivos cuánticos. A través de este puente, la corriente fluye sin resistencia y se puede controlar con un campo magnético.

La superconductividad es cuando la corriente eléctrica fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. Normalmente aparece a temperaturas muy bajas, pero hay materiales donde surge a temperaturas más altas.

En un cristal aislante, el calor normalmente se propaga del extremo caliente al frío. Pero si se activa un campo magnético, parte del flujo de calor se desvía hacia un lado, como el agua que, al deslizarse por una pendiente, se desplaza ligeramente hacia un costado cuando el viento la empuja. Este comportamiento se conoce como efecto Hall térmico.

El efecto Mpemba sorprende: el agua caliente agua a veces se congela más rápido que la fría. Los científicos crearon un modelo simple: una bolita en un medio espeso como la miel, en un paisaje con dos depresiones y una pared en un extremo. La bolita se mueve con viscosidad, sin saltar la colina central.

Alguien empieza a arrugar una hoja de papel lisa. Primero aparecen pliegues dispersos, luego cubren toda la superficie, y la hoja ya no es plana sino rugosa. Algo parecido le ocurre a la llama de hidrógeno: con un flujo de gas tranquilo es lisa y está inclinada en un ángulo, pero basta con cambiar la composición de la mezcla para que la superficie se cubra de celdas y arrugas.

Una cadena caliente de átomos alineados se comporta como un diminuto agujero negro. Esta cadena es una fila de partículas, cada una de las cuales se asemeja a un pequeño imán. A temperatura normal, los imanes se voltean de forma caótica, pero si se enfrían, se alinean en un orden único.

Un imán que se apila en capas, como una torre de panqueques: así es el material CrSBr. A bajas temperaturas, cada capa está magnetizada, pero las capas vecinas apuntan en direcciones opuestas, y sus campos magnéticos se cancelan entre sí. Este orden se llama antiferromagnético y es frágil: basta con calentar un poco el material para que las capas se desmagneticen.

La electrónica se calienta. Cuanto más potente es el procesador, más calor hay que disipar, o de lo contrario falla. Uno de los cuellos de botella es la frontera entre dos materiales: el calor choca contra ella como contra una junta entre baldosas y se ralentiza.

Dentro de un transistor de alta potencia, el calor escapa a través de las uniones entre distintos cristales, como el agua a través de esclusas estrechas. Para los nitruros de aluminio y de galio —los materiales clave de la electrónica de potencia—, esa esclusa suele ser una fina capa de su aleación.