cámara térmica

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.

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.

Cada segundo, miles de aviones de pasajeros en el cielo envían señales de radio, así los controladores ven dónde vuela cada aeronave. Estas señales no viajan en línea recta: el aire con diferente humedad las curva como una lente. Si se capta la curvatura, se puede calcular dónde el aire es más seco y dónde más húmedo.

Una lámpara común brilla de manera constante, pero un faro emite destellos cortos. Científicos de Londres hicieron que un diminuto diamante funcionara como un faro, pero no para la luz, sino para las ondas de radio. Para ello, añadieron un poco de nitrógeno al cristal y luego lo iluminaron con un láser verde.

En el cristal laminar CrSBr, los momentos magnéticos de los átomos están alineados como notas en una partitura: dentro de cada capa apuntan en la misma dirección, y entre capas, en direcciones opuestas. Esta melodía antiferromagnética suena hasta 132 kelvin, y más allá, el movimiento térmico destruye el orden.

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.

En la cocina, cuando la sartén se calienta al rojo, la mano siente el calor antes de tocar. El telescopio solar capta un calor invisible similar, pero que proviene de una estrella, no de una estufa. El instrumento llamado HATS detecta radiación en el rango de terahercios, que antes apenas se estudiaba por las dificultades técnicas.

La orquesta toca, pero los músicos no se oyen entre sí. El director detiene la música una y otra vez y se acerca a cada uno para afinar el instrumento. Así funcionan aproximadamente los telescopios espaciales con espejos segmentados.

Normalmente la luz no convierte un aislante en conductor: para eso se necesitan pulsos láser potentes que rompan la estructura del material. Pero en el grafeno bicapa retorcido en ángulo mágico todo es distinto.

El Sol es una caldera gigante donde la luz se abre paso a través de una espesa capa de materia incandescente. En su camino hacia la superficie, los fotones (partículas de luz) chocan constantemente con los átomos y pierden energía. La medida en que la materia retiene la luz se denomina «opacidad», y de ella depende la rapidez con que el calor escapa hacia el exterior.

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.

Un radar corriente funciona como un fotógrafo aficionado: toma una serie de fotos borrosas e intenta unirlas en una panorámica. Los detalles quedan difuminados, y en un pasillo largo o entre una multitud, el robot se pierde con facilidad. El principio es simple: como un murciélago, el radar emite una onda y capta el eco.

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.

Los detectores de materia oscura son, en esencia, micrófonos de sensibilidad increíble, capaces de oír un susurro en medio del estruendo de un concierto de rock. Su tarea es captar los raros empujones de las hipotéticas partículas de materia oscura que, se cree, chocan ocasionalmente con los núcleos de la materia ordinaria.

Un cubo de hielo en té caliente se derrite exactamente a cero grados. ¿Y si el hielo estuviera hecho de partículas subatómicas y el té fuera materia nuclear ardiente?

Un telémetro común envía un solo pulso de luz y espera su regreso, como una persona que grita al vacío y escucha el eco. Pero si se encienden varias fuentes que brillan al unísono y se analiza no el volumen, sino el ritmo del diálogo de los destellos reflejados, la imagen se vuelve más nítida.

La escena está iluminada por reflectores, pero los eventos más interesantes ocurren en las sombras, donde se esconden moléculas invisibles al ojo. La nueva cámara capta el calor de estas 'invisibles' y lo convierte en luz ordinaria.

La luz deja huella incluso cuando apenas existe. Un fotón individual, un diminuto paquete de energía, incide sobre una oblea de silicio y libera un puñado de electrones. El problema es que ese puñado es demasiado pequeño para ser detectado. Se necesita un amplificador.

Una película de nitruro de aluminio, tan fina como una pompa de jabón, flota sobre una placa reflectante, con una capa de aire de una micra entre ambas. Cuando la alcanza luz infrarroja invisible al ojo, con una longitud de onda de unos 15 micrómetros, la película vibra al compás de la luz, como una cuerda que solo responde a su nota.

La roca cálida y la arena fría se enfrían de manera distinta por la noche. Un instrumento en órbita alrededor de Marte mide ese calor, y con él se puede saber de qué está hecha la superficie: polvo suelto, costra densa o roca. Pero las imágenes térmicas tienen una resolución de 100 metros por punto: un estadio de fútbol entero cabe en un solo píxel.

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.

Una antena común capta ondas de radio, pero hay campos que casi no percibe. Hablamos de campos eléctricos lentos, aquellos que cambian una vez por segundo o menos. Para ellos, los físicos han construido un sensor a partir de un haz de átomos de rubidio.

El gas es casi invisible, pero tiene temperatura, y esta puede leerse por cómo el gas "tapa" el fondo térmico. En el experimento, una cámara observa una pantalla cálida a través de un chorro de dióxido de carbono. Si el gas está más frío que el fondo, aparece como una mancha oscura; si está más caliente, como una clara.

Un diodo semiconductor normalmente conduce la corriente en una sola dirección, como una puerta con resorte: en un sentido se abre fácilmente, en el otro se atasca. Pero si se satura el cristal con impurezas, la puerta empieza a comportarse de manera extraña: con voltaje inverso, la corriente no solo fluye, sino que se dispara.

La luz que no vemos pero sentimos como calor resultó ser la clave de la vida celular. Un nuevo tipo de microscopio utiliza ondas de 2000 a 2500 nanómetros de longitud, tres veces más largas que la luz roja, y que apenas se dispersan en los tejidos.

Una gota de grasa dentro de una célula viva se parece a un flotador en aguas turbulentas. No se mueve en línea recta, sino a tirones: a veces se detiene, a veces acelera. Antes, estos movimientos solo se podían ver en un plano, como si miraras el flotador desde arriba sin saber a qué profundidad está.

Un sensor de radiación en la ciudad se parece a un músico callejero: debe dar las notas correctas incluso cuando los dedos se entumecen por el frío o el sol calienta el instrumento.

La radiografía suele asociarse con un aparato voluminoso en el hospital. Pero una imagen así puede tomarla un dispositivo del tamaño de la palma de la mano, ensamblado con componentes de electrónica de aficionado. Los autores del trabajo usaron un miniordenador Raspberry Pi, una cámara de 12,3 megapíxeles y una pantalla que brilla bajo los rayos X.

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 horno al rojo vivo en un taller o el escape caliente de una turbina no son solo calor, sino luz que el ojo humano no ve. Los paneles solares comunes capturan la luz visible, pero aquí se necesita un receptor para la radiación térmica invisible.

Un termo con xenón líquido, enfriado a menos cien grados. Dentro, sensores sensibles que captan señales raras de partículas de materia oscura. Para sacar esas señales fuera, normalmente se usan cables de cobre. Pero en el camino largo la señal se debilita y los cables vecinos empiezan a "cuchichear" entre sí: eso se llama diafonía.

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.

La luz de una estrella no es solo un flujo, sino una onda que puede oscilar en distintas direcciones. La luz ordinaria se parece a una multitud donde cada uno agita los brazos como le viene en gana. Pero tras reflejarse en granos de polvo o atravesar un campo magnético, parte de las ondas se alinea en una sola dirección, como soldados en formación.

Un bombero con una cámara térmica ve el foco del incendio a través del humo. Pero, ¿cómo ver una fuente de radiación que no huele, no brilla y no calienta? Las cámaras gamma resuelven este problema: captan los rayos gamma emitidos por sustancias radiactivas y superponen su "huella" sobre una fotografía normal.

Una cámara térmica convencional se parece a un termómetro que se calienta y se enfría lentamente. Muestra bien dónde hay calor, pero no sigue el ritmo de los movimientos rápidos. El nuevo sensor funciona de otra manera: cuenta los cuantos de calor individuales, como un contador de gotas durante la lluvia.

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.

Un trozo de material brilla en azul. Lo calientas y la luminiscencia se vuelve verde, como si alguien hubiera cambiado el color en un semáforo. Así funciona el nuevo termómetro luminiscente descrito en el artículo. Dentro del material hay iones de terbio, un metal de tierras raras que sabe brillar. A temperatura ambiente emiten luz azul.

La luz es como un coro de muchas voces: en ella se entrelazan el color, la dirección de oscilación y los cambios instantáneos. Una cámara normal solo escucha una voz, y las demás se pierden. Los científicos han construido una cámara que escucha todo el coro a la vez, y con una sola imagen entiende lo que ocurre.

Una cámara térmica normalmente funciona como un termómetro con matriz: mide cuánto se ha calentado cada píxel y lo convierte en imagen. Pero este método tiene un límite: el ruido propio del aparato impide ver el calor débil.

En las frías y tenues nubes del espacio, las partículas se encuentran raramente, pero a veces un ion y una molécula neutra pasan lo bastante cerca como para unirse. Al hacerlo, emiten luz, como un destello apagado que se lleva el exceso de energía. Este proceso se llama asociación radiativa y es responsable de la formación de muchas moléculas en el espacio interestelar.