dispositivo termoeléctrico

Sobre la mesa hay un trozo de grafito cultivado a partir de gas, como una capa en la pared de un reactor. Normalmente, ese material no sirve para convertir calor en electricidad: en su interior, los electrones y los huecos corren en direcciones opuestas y se anulan mutuamente.

La cámara no captura una carrera, sino una danza de átomos. En el dióxido de vanadio, la transición del estado aislante al metálico ocurre en billonésimas de segundo, pero hasta ahora nadie había visto cómo se mueven exactamente los átomos de vanadio y oxígeno.

El horno microondas calienta la comida, pero en el laboratorio las microondas han hecho algo distinto: han convertido un superconductor en un imán permanente. Una película de óxido de itrio, bario y cobre de 300 nanómetros de espesor, enfriada a 80 kelvin, respondió a una radiación de 5 gigahercios.

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.

Si se hace pasar corriente por dos conductores soldados, la unión se calienta o se enfría: es el efecto Peltier, en el que se basan las neveras de los automóviles.

El plasma de microondas en un vórtice es como una batidora de cocina que calienta y mezcla el gas a la vez. En el reactor, el gas se hace girar y las microondas lo calientan hasta miles de grados, rompiendo las moléculas de dióxido de carbono. Los científicos han creado un modelo computacional de este reactor para entender cómo afecta la presión al proceso.

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.

El agua caliente después de la ducha, el aire cálido de la ventilación, las paredes calientes del motor: todo esto es calor por debajo de 100 °C. Normalmente se disipa sin hacer ningún trabajo útil. Ahora se puede capturar y convertir en electricidad. Dentro del nuevo dispositivo hay un alambre de aleación de níquel y titanio.

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.

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.

En un vaso de agua, el aceite se acumula en gotas: es una separación en equilibrio dictada por la química. Pero hay sistemas donde el orden no nace del reposo, sino de un flujo constante de energía.

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 agua no es simplemente una sustancia mojada. A escala de picosegundos, se asemeja a una pista de baile donde las moléculas rompen y crean enlaces continuamente. Normalmente, este baile se describe con un movimiento principal: la relajación colectiva, como si toda la multitud se desacelerara al mismo tiempo después de apagar la música.

En el centro de muchas galaxias se esconden agujeros negros supermasivos. Uno de ellos, Sagitario A*, en el corazón de la Vía Láctea, se ha convertido en un banco de pruebas para una nueva idea. Los autores del trabajo tomaron la gravedad einsteiniana y le añadieron un campo electromagnético inusual.

Dentro de los reactores destruidos de Fukushima yacen cientos de toneladas de combustible fundido: una mezcla de uranio, circonio, hierro y productos de fisión. Estos restos se denominan debris de combustible. Habrá que extraerlos, transportarlos y empaquetarlos de forma segura durante décadas.

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 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 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.

A veces, el agua en una taza caliente se congela más rápido que en una tibia. Esta paradoja tiene más de medio siglo y se llama efecto Mpemba. Por lo general, se atribuye al movimiento del líquido o a la evaporación. Ahora, los físicos han demostrado que un truco similar es posible sin agua, simplemente mediante la emisión de calor.

En el agua hirviendo agua se puede ver un prototipo del truco cuántico: si parte del líquido se convierte en burbujas de vapor de larga vida, la masa principal se enfría.

Tres cuerdas de guitarra en el mismo instrumento, pero las clavijas de cada una giran con distinta fuerza: una cede de inmediato, otra cuesta girarla y la tercera se atasca. Así es más o menos trabajar con puntos cuánticos de silicio: diminutas islas-cubits donde cada una requiere su propio «voltaje-clavija» para sonar bien.

El té en una taza se enfría tranquilamente sobre la mesa. Pero si pasas a toda velocidad cerca de la velocidad de la luz, el termómetro marcará más, aunque nadie haya calentado el té. Los cálculos lo confirman: la aguja subirá. Hace cien años, los físicos estaban divididos en tres bandos.

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 diodo ordinario en electrónica funciona como una carretera de un solo sentido: la corriente solo circula en una dirección. En los superconductores, donde la electricidad fluye sin resistencia, tal comportamiento ha sido difícil de lograr durante mucho tiempo: la corriente suele ser simétrica.

Si calientas un clavo en una fogata, se alarga; eso lo sabe cualquiera. Pero si calientas solo la punta y dejas el otro extremo frío, el clavo no solo se hace más largo: se curva, porque el metal caliente se expande más que el frío. Esa misma curvatura, pero a nivel atómico, es lo que los físicos han convertido en electricidad.

Una barra de metal, al calentarse, de repente se vuelve rígida y, de paso, pierde o gana propiedades magnéticas. En aleaciones a base de níquel y manganeso, estas transformaciones no ocurren de forma gradual, sino de golpe: los átomos se reordenan en una nueva estructura y el material cambia su comportamiento.

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 olla con agua en la cocina: cuanto más caliente está el fuego, más rápido el hielo se convierte en agua y el agua en vapor. El calor destruye el orden. Pero a veces la naturaleza hace un truco: el calor hace que un líquido se congele, como un charco en una helada.

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 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 autobús abarrotado donde cada pasajero es un electrón. En un superconductor, los pasajeros se emparejan y se mueven al unísono, sin pérdidas de energía. Pero en los superconductores de alta temperatura, como los cupratos, esta idílica situación solo funciona si se suben pasajeros extra. Si, en cambio, se baja a alguien, las parejas empiezan a comportarse de manera extraña.

El láser golpea el cristal y este responde con destellos de luz, como una campana que suena al ser golpeada. Pero si la campana está caliente, su sonido tiembla y se apaga. Así ocurre aquí: los átomos del cristal vibran constantemente por el calor, y esa vibración impide que los electrones se muevan en línea recta, por lo que la luz sale tenue y borrosa.

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.

Una trampa magnética con forma de rosquilla confina un plasma de boro e hidrógeno. En su interior, la temperatura supera los cien millones de grados, más que en el centro del Sol. Con ese calor, los núcleos chocan y se fusionan, liberando energía.

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.

Si empujas calor a través de un trozo de cuarzo, normalmente va recto, como el agua por una tubería. Pero en cuanto enciendes un campo magnético, el flujo se desvía un poco hacia un lado, como si la tubería de repente tuviera una derivación lateral.

Un trozo de metal calentado por un extremo produce una corriente eléctrica débil: esto se sabe desde hace casi doscientos años. Pero, ¿y si en lugar de un simple metal usamos un «sándwich» de capas: un superconductor, un aislante delgado y una capa plana de electrones?

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.

Un nadador que corta el agua a la velocidad de las olas que corren sobre ella se encuentra en una situación extraña: las olas que él mismo genera no pueden ni adelantarlo ni quedarse atrás. Se acumulan frente a su proa y se congelan. Un fenómeno similar ocurre cuando una fuente de luz se mueve dentro de un medio a una velocidad que coincide con la velocidad de transferencia de energía de las olas.