Mecánica estadística cond-mat.stat-mech

Un equipo de ensambladores de rompecabezas con piezas aleatorias: ¿cuántos movimientos simultáneos se necesitan para armar la imagen? Si las piezas son independientes, todas se colocan a la vez. Si cada una depende de la anterior, hay que ir de una en una. Lo mismo ocurre con los sistemas: algunos estados se ensamblan al instante, otros requieren un largo trabajo secuencial.

Una multitud en una plaza. Al principio, cada uno gira a su propio ritmo, pero de repente la música cambia y todos comienzan a moverse sincrónicamente, como un solo cuerpo. Más o menos así se comportan los electrones en algunos metales: a veces se adhieren a impurezas magnéticas, a veces se desprenden y forman un orden colectivo.

El entrelazamiento cuántico es como un resorte invisible entre partículas: aprietas una y la otra se mueve, sin importar dónde esté. En el nuevo trabajo, los físicos construyeron un modelo de cuatro espines (pequeñas agujas magnéticas) en una cadena, donde los espines extremos están sujetos por un campo magnético local.

En una cadena de ocho espines se esconde un defecto: un diminuto momento magnético. El efecto Kondo, conocido desde los años 1930, hace que los electrones a su alrededor se organicen en una pantalla colectiva. La resistencia del material aumenta de forma anómala.

La orquesta interpreta la sinfonía del clima. Cada violín, cada instrumento de viento lleva su propia parte: son los modos de Kolmogórov, los ritmos naturales del sistema. De repente, un trueno irrumpe en la sala: un salto brusco, como una ráfaga de viento o un aguacero. Antes solo sabíamos escuchar el sonido suave, pero no descifrar esos acordes. En un nuevo trabajo, los matemáticos han completado la partitura.

Una transferencia bancaria no llega de inmediato, sino tras un plazo fijado, y el saldo en la cuenta del receptor resulta mayor que el efectivo depositado por el remitente. Algo así hace el nuevo protocolo, llamado teleportación cuántica temporal de energía (TQET).

En una cadena de espines fríos extendida a lo largo de una línea, el orden y el desorden pueden entretejerse en un patrón que no se describe con las reglas habituales. Dos estados de la materia, dos "órdenes", están separados por una encrucijada donde los caminos no convergen, sino que divergen.

Cinco cúbits superconductores en un chip: el escenario donde se representa la obra del caos cuántico. Cuatro cúbits forman el sistema; el quinto, el entorno que introduce disipación. Tras una breve evolución, el entorno se descarta y el sistema queda con un mapa cuántico abierto: un operador que transforma el estado del sistema.

En un columpio uno puede sentarse y balancearse, o simplemente dejarse llevar de un lado a otro. El océano Pacífico hace ambas cosas. Cada pocos años, el agua cálida frente a las costas de Perú da paso a agua fría, y las precipitaciones, los vientos y ecosistemas enteros en medio planeta se reconfiguran.

En 1867, James Clerk Maxwell imaginó un demonio que clasifica las moléculas de un gas y, con ello, viola la segunda ley de la termodinámica. El demonio necesita conocer las velocidades de las partículas.

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.

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.

Una cuerda tensa entre dos quarks no se rompe al instante, como una goma elástica. Primero vibra, aparecen nodos en ella, y solo después se rompe, si es que se rompe.

En el mundo cuántico, el ruido suele destruir el comportamiento ordenado, como si empujones aleatorios apagaran un péndulo. Pero en los procesadores cuánticos de IBM, los físicos descubrieron lo contrario: el ruido estructurado puede prolongar e incluso crear oscilaciones rítmicas. Es como un péndulo que, con empujones desordenados pero internamente coherentes, oscila más fuerte.

Todo tiende al equilibrio: el té se enfría, el péndulo se aquieta. La medida de este movimiento es la entropía, el desorden creciente. Pero a veces el agua caliente se congela antes que la tibia. El efecto Mpemba no es solo una curiosidad: también se manifiesta en el mundo cuántico.

El vacío no siempre está vacío: puede ocultar energía, como el agua superenfriada esconde hielo. Los físicos llaman a esto falso vacío, un estado que solo necesita un empujón para transitar en cascada hacia el verdadero.

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.

El parapente, el ala delta y el planeador son tres alas diferentes, pero en el cielo se comportan igual. Los pilotos captan corrientes térmicas invisibles, ascienden con ellas y luego planean hacia la siguiente. Este vuelo se parece al juego de la rayuela: un salto hacia arriba, luego un deslizamiento hacia adelante, y de nuevo a buscar un lugar para saltar.

Los grafos se consideran iguales si su «relieve» coincide. Dos mapas con montañas y valles: incluso con diferentes trazos, las alturas y pendientes pueden ser las mismas.

El Universo pudo haber nacido de un estado inestable: el vacío falso. Es como un vaso de agua superenfriada: la más mínima perturbación la convierte en hielo. De igual forma, en el vacío falso una diminuta burbuja de vacío verdadero puede crecer hasta convertirse en todo un Universo.

Cinco átomos de calcio cargados flotan en una trampa, sostenidos por campos eléctricos. El enfriamiento por láser les quita el exceso de energía y se alinean formando una diminuta pirámide de base cuadrada. Pero esta pirámide no permanece estática: de vez en cuando se voltea, como si alguien la lanzara al aire y la atrapara boca abajo.

Si haces pasar corriente por un cable, el cable se calienta. Esto lo sabe cualquiera que haya tocado un cargador de teléfono. Los físicos llaman a este calentamiento efecto Joule, en honor a James Joule, quien a mediados del siglo XIX midió cuánto calor produce la electricidad.

Toda máquina, ya sea el motor de un coche o un diminuto nanorefrigerador, funciona con temblores. El combustible no se quema de manera uniforme, los electrones atraviesan los contactos sin seguir un horario, y la aguja de potencia en los instrumentos vibra ligeramente. Estas vibraciones se denominan fluctuaciones.

Un grupo de personas busca un objeto perdido en un gran parque. Algunos se cansan y se van, otros se unen por el camino. El número de buscadores cambia constantemente. ¿Cómo afecta esto al tiempo de búsqueda? Hasta ahora, la ciencia no tenía una respuesta clara. En el nuevo trabajo se ha construido un modelo general de este proceso.

Un ordenador cuántico se parece a una tetera demasiado caliente: las partículas corretean sin orden y hay que calmarlas para obtener una respuesta útil. En un nuevo trabajo, los físicos han ideado cómo enfriar una cadena de 19 espines cuánticos (pequeños imanes) directamente en un dispositivo real.

Un puñado de nanocristales de sulfuro de plomo recubiertos con moléculas cargadas se ordena por sí solo en una red cristalina perfecta. Cada nanocristal es como un ladrillo de unos pocos nanómetros, y las moléculas cargadas en su superficie actúan como mortero.

Agita un frasco con arena y canicas: verás cómo los objetos grandes flotan o se hunden según su tamaño. Pero si agitas con inteligencia, puedes lograr que las canicas se junten en pares y cadenas, como si estuvieran pegadas entre sí. Ese 'pegamento invisible' es lo que físicos de India y Alemania han logrado capturar y medir por primera vez.

El intérprete se distrae con cada susurro en la sala, y una reunión de una hora se convierte en dos. Algo parecido ocurre en la lucha contra una epidemia: el servicio de rastreo de contactos intenta reconstruir la cadena de contagios, pero siempre se le escapa algo.

La sal en un vaso de agua es una multitud de partículas cargadas. Mientras hay mucha agua, cada partícula flota por su cuenta, rodeada de un denso abrigo de moléculas de agua. Pero si sigues echando sal, el agua empieza a no alcanzar para todos, y las partículas comienzan a buscarse. Primero se enganchan en pares, luego en racimos más grandes.

Un vaso de vidrio solidificado parece inmóvil, pero en su interior los átomos quedaron congelados en posiciones aleatorias, sin encontrar el orden perfecto. Algo similar ocurre en los vidrios de espín: los momentos magnéticos de los átomos se congelan apuntando en direcciones distintas, y el material pierde la capacidad de magnetizarse de forma sencilla.

La temperatura parece algo congelado: la materia tiene una temperatura y ya está. Pero si miramos de cerca, el equilibrio térmico se parece a una cascada que desde fuera parece inmóvil, aunque en realidad es un flujo continuo de agua. Así, cualquier cuerpo con energía finita intercambia fotones sin parar con su entorno.

Catorce átomos de rubidio se alinearon como cuentas en un hilo. Cada átomo es un pequeño imán que puede apuntar hacia arriba o hacia abajo. Juntos obedecen reglas estrictas, similares al horario de un tren: todo es predecible, todo se repite. Pero basta con introducir un cambio casi imperceptible para que el horario se descarrile.

El mundo cuántico está lleno de sorpresas: incluso la simple observación de una partícula cambia su comportamiento. En un nuevo trabajo, los físicos demostraron que la medición constante de la energía puede hacer que el caos cuántico sea más pronunciado.

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.

Un agujero negro es un lugar del que ni siquiera la luz puede escapar. Pero la teoría cuántica dice que, aun así, brilla débilmente. Ese resplandor se llama radiación de Hawking. En el espacio no se puede observar: es demasiado débil. Por eso los físicos construyen modelos de agujeros negros con materiales ordinarios.

La microconsola oscila con una frecuencia de 1270 Hz, y su posición controla un potencial virtual: un paisaje energético invisible con dos pozos, creado por la retroalimentación.

La orquesta empieza a tocar al unísono, pero un director oculto cambia durante un segundo la dirección de su batuta. Así también un sistema que tiende al equilibrio da de pronto un paso atrás.

Cuando el embrión crece, sus células no solo se dividen: están en constante contacto con sus vecinas, como las personas en un autobús lleno. De la fuerza de esos contactos depende hacia dónde se mueve una célula y qué forma adquiere el tejido. Los científicos han estudiado cómo cambia la 'pegajosidad' de las células en las etapas más tempranas del desarrollo.

El tumor no se queda quieto. De él se desprenden células individuales o grupos enteros que se lanzan a un viaje por el cuerpo. Unas se arrastran en solitario, como exploradores; otras se mantienen juntas, como una bandada. Los científicos han construido un modelo computacional para entender cómo estas células eligen su dirección.

Cada pocos años, la corriente cálida frente a las costas de Perú se desplaza y los pescadores se quedan sin captura. Es El Niño, el aliento del Pacífico tropical, que afecta el clima desde Indonesia hasta California. Predecir su aparición es tan difícil como adivinar hacia dónde rodará una piedra lanzada a un río caudaloso.