estabilidad termodinámica

Una película delgada de niquelato de neodimio de quince nanómetros de espesor descansa sobre un sustrato de galato de neodimio. Por debajo de los ciento ochenta kelvin se comporta como un aislante: los electrones están encerrados en sus celdas atómicas y no pueden moverse con libertad.

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 los primeros instantes después del Big Bang, el universo parecía un caldero hirviendo. En él, según una hipótesis, pudo nacer la materia oscura: la sustancia invisible que mantiene a las galaxias unidas.

Doblar una hoja de papel es fácil. Pero comprimirla empujando desde el borde es harina de otro costal: el papel se arruga, pero apenas transmite la fuerza más allá. Así funciona la elasticidad ordinaria: la deformación depende de dónde y cómo se presione. La nueva red tridimensional lleva este contraste al extremo.

Imagina una audición para una orquesta sinfónica, donde de cientos de aspirantes solo se quedan aquellos cuyos instrumentos suenan limpios y resisten un feroz crescendo. En el mundo de los materiales, las computadoras han aprendido a generar «partituras atómicas»: miles de cristales virtuales que prometen ser la base de chips cuánticos o superconductores.

Un terrón de azúcar arrojado al té se disuelve y pronto todo el líquido queda igualmente dulce. Este camino hacia el equilibrio es tan familiar que parece obvio.

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.

Una banda elástica que se vuelve más gruesa cuanto más la estiras. En electricidad, este comportamiento se llama capacitancia negativa: cuanto más carga se acumula en las placas, menor es el voltaje. Un condensador normal funciona al revés: el voltaje aumenta junto con la carga.

En una olla de sopa hirviendo, de vez en cuando saltan pequeñas gotas de grasa, cien veces más calientes que el caldo. Así es más o menos el futuro plasma de fusión: la mayor parte de los iones se calienta a cientos de millones de grados, y una pequeña impureza de partículas 'rápidas' (nacidas de la fusión de núcleos) está aún más acelerada.

Un cocinero vierte jarabe de azúcar caliente sobre una mesa fría y este se solidifica en cristales. Así es como los ingenieros imaginaban la solidificación del metal: el líquido se convierte directamente en un conjunto de granos cristalinos. Pero una filmación en primer plano mostró que entre lo líquido y lo sólido se intercala otra etapa.

En un trozo sólido de aleación de estaño y plomo, las capas de los dos metales están apiladas como las páginas de un libro. Al calentar desde un lado, las capas no se funden de manera uniforme, sino con lenguas y dedos caprichosos.

El cristal que prometía conducir electricidad sin pérdidas a temperatura ambiente resultó ser como un castillo de naipes: tócalo y se desmorona. Dos compuestos, uno con plata y otro con oro, se consideraban candidatos a superconductores, pero la prueba mostró que ambos no resisten ni siquiera las condiciones normales. En la variante de plata, la red simplemente colapsa.

En el Gran Colisionador de Hadrones no solo chocan núcleos, sino también protones individuales. Incluso en sistemas tan pequeños se observa un comportamiento colectivo, similar al flujo de un líquido.

El agua puede ser hielo, líquido o vapor. Los físicos llaman a estos estados fases. En teoría, cada fase tiene su propia medida, una forma de describir cuán probable es. Pero no toda medida que se pueda imaginar se encuentra en la naturaleza. Algunas fases son reales, mientras que otras son solo una ilusión matemática.

Un sistema cuántico puede poseer una propiedad llamada magia. No se trata de trucos, sino de una medida de lo difícil que resulta reproducir su comportamiento en una computadora clásica. Los estados ordinarios —llamados estabilizadores— son fáciles de calcular para una computadora. Pero los estados con magia la dejan perpleja.

Un reloj atómico es un péndulo que late a la frecuencia de la luz. Dentro de una trampa, un ion de aluminio está suspendido, y un láser lo sondea como un diapasón. Si la frecuencia del láser coincide con la frecuencia propia del átomo, este responde. Esa respuesta es la que se usa para calibrar el reloj.

En una cadena de trampas, como en una hilera de fortalezas costeras, se posan los átomos. A su lado, un mar cuántico: el condensado de Bose-Einstein (una sustancia sin resistencia, donde las partículas se mueven como una sola onda).

Un cometa en vuelo es una montaña de hielo y polvo que se desplaza por el sistema solar. Si en esa montaña se colocan pequeños motores, se convierte en una nave con combustible listo: el gas de su interior puede liberarse a través de toberas y cambiar el rumbo.

Un hilo flexible enrollado en anillo se encierra en una cajita con líquido. Puede absorber agua e hincharse como una esponja, o expulsar la humedad y encogerse en una bola apretada. La elección entre estos estados depende de si el hilo tiene un nudo, y de cuál sea. La razón está en la entropía, la medida del desorden.

Una película delgada de semiconductor de un átomo de espesor se asemeja a un piso compartido: en ella viven electrones con carga negativa y «huecos» con carga positiva.

Un panel solar en el tejado produce poca corriente por la mañana, mucha al mediodía y nada por la noche. El viento tampoco sopla de cualquier manera: a menudo es más fuerte por la mañana y por la tarde que durante el día.

Una aleación metálica se parece a un cóctel: mezclas varios elementos y obtienes un material con nuevas propiedades. Pero si el camarero prueba la bebida, los ingenieros necesitan saber de antemano cómo se comportará la aleación en el trabajo. Por ejemplo, si resistirá altas temperaturas y no perderá su capacidad de conducir corriente.

Un café caliente se enfría al irradiar luz invisible. Para mantener su temperatura, debe recibir exactamente la misma cantidad de luz de vuelta. Este comercio silencioso de fotones es lo que sentimos como calor estable.

Una película delgada de óxido metálico descansa sobre una superficie con una pequeña cavidad. Si se comprime ligeramente la película desde los lados, no se arruga, sino que se abomba hacia abajo en la cavidad o hacia arriba formando una joroba. Ambas posiciones son estables, como la tapa de una lata de conservas, que está o hundida o abombada y no salta de un lado a otro por sí sola.

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.

El agua en un vaso se calma si dejas de removerla. El aceite del motor amortigua las vibraciones. Parece que la viscosidad siempre tiene que ver con la amortiguación. Pero en algunos flujos ocurre lo contrario: añade fricción y las olas empiezan a crecer como de la nada. Los físicos han encontrado una explicación sencilla.

Ladrillos de diferentes tamaños colocados en una misma pared dejan grietas en ella. Algo similar ocurre con los átomos en las aleaciones resistentes al calor: cuando dos metales distintos forman una red cristalina común y sus átomos difieren ligeramente en tamaño, aparece una tensión dentro del material. Esta se acumula y finalmente destruye la aleación al calentarse.

Los ordenadores cuánticos utilizan estados GKP, ideados por Alexei Kitaev, John Preskill y Daniel Gottesman. Su particularidad son las verificaciones-estabilizadores incorporadas que detectan errores. Durante mucho tiempo se creyó que una verificación exitosa garantizaba un estado casi perfecto. Por desgracia, es una ilusión.

El mosaico de Penrose, armado con dos tipos de baldosas, recubre el plano sin un patrón repetitivo — maravilla matemática descubierta por Roger Penrose, que ha obtenido una realización física en el mundo cuántico.

El entrelazamiento cuántico es un recurso frágil. Calienta el sistema y las fluctuaciones térmicas romperán los finos hilos de las correlaciones: a una temperatura suficientemente alta, aunque finita, el estado de Gibbs de un hamiltoniano local se vuelve separable, es decir, representable como una mezcla probabilística de productos de estados locales.