Bajo una maraña de tuberías, manómetros, placas de metal, bombas y cinta adhesiva se encuentra un lugar más frío que el espacio exterior. Trabajando en este entorno de caos organizado, el equipo de Quantum Matter del Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge está empezando a desvelar las exóticas propiedades cuánticas de los materiales superfríos en una nevera del tamaño de un SUV.
Debido a que los humanos pueden percibir fácilmente la diferencia entre el calor y el frío, la temperatura es una característica de la ciencia que la gente tiene una comprensión bastante intuitiva. Pero lo que la gente realmente experimenta cuando distingue el calor del frío es la cantidad de energía térmica que contiene un sistema: un cono de helado, por ejemplo, contiene menos energía térmica que un plato de sopa caliente. Y debido a que esta energía proviene del movimiento de átomos y moléculas dentro de una sustancia, eso significa que las moléculas de la sopa se mueven más que las del helado.
El equipo de la Universidad de Cambridge, sin embargo, monitorea la energía en un nivel más extremo mientras intentan acercarse al cero absoluto, la temperatura más fría permitida por las leyes de la termodinámica. El cero absoluto, técnicamente conocido como cero kelvin, equivale a -273,15 grados Celsius, o -459,67 Fahrenheit, y marca el punto en el termómetro donde un sistema alcanza su energía más baja posible, o movimiento térmico.
Sin embargo, hay una trampa: es imposible alcanzar el cero absoluto. La razón tiene que ver con la cantidad de trabajo necesario para eliminar el calor de una sustancia, que aumenta sustancialmente cuanto más frío intentas ir. Para llegar a cero kelvin, necesitaría una cantidad infinita de trabajo. E incluso si pudieras llegar allí, la mecánica cuántica dicta que los átomos y las moléculas aún tendrían algún movimiento irreducible.
La mecánica cuántica también significa que cuanto más se acercan estos investigadores al cero absoluto, más extrañas se vuelven las propiedades de una sustancia. A temperaturas suficientemente bajas, el helio líquido, por ejemplo, se transforma en un superfluido, un líquido que fluye sin la resistencia de la fricción. Como resultado, puede fluir espontáneamente hacia arriba y fuera de un recipiente; filtrarse a través de grietas delgadas como moléculas; permanezca perfectamente quieto mientras gira a altas velocidades; y, lo que es más sorprendente para los físicos, se fusionan en un «superátomo», conocido como condensado de Bose-Einstein. Trabajando en alrededor de 1 a 10 milikelvins, o milésimas de kelvin, el equipo de Cavendish está en el proceso de estudiar una variedad de otros materiales que también muestran un comportamiento cuántico extraño. Y la tecnología que utiliza el grupo para alcanzar temperaturas tan gélidas es casi tan complicada como el comportamiento que está tratando de inducir.
El viaje hacia el cero absoluto comenzó a principios de 1700, cuando Guillaume Amontons sostuvo que si la temperatura es la medida del calor en un sistema, entonces debe haber una temperatura más baja posible. Sin embargo, no fue hasta dos siglos después que la teoría de Amontons encontraría su lugar en la experimentación. En la Universidad de Leiden, Heike Kamerlingh Onnes y sus colegas compitieron contra otros en todo el mundo para desarrollar técnicas para licuar el helio. Después de muchos intentos fallidos, tuvieron éxito, y dice Dirk van Delft, director del Museo Boerhaave, la nación holandesa. l Museo de Historia de la Ciencia y la Medicina, «Leiden se convirtió brevemente en el lugar más frío de la Tierra».
El éxito de Onnes finalmente llegó gracias a una de las primeras formas de refrigeración de alta potencia. Como los refrigeradores de todos los días, el sistema de refrigeración del laboratorio de Onnes y ahora los laboratorios de todo el mundo funciona en un ciclo. El proceso de enfriamiento en sí es similar a lo que sucede cuando soplas una taza de café caliente para enfriarlo. A medida que la persona sopla, se estimula la evaporación de las moléculas de café más caóticas y de movimiento más rápido y, por lo tanto, se alejan de la taza. Las moléculas que quedan se mueven en promedio más lento, lo que hace que el café tenga una temperatura más potable. Sin embargo, a diferencia de los refrigeradores de uso diario que usan vapor del interior del refrigerador, Onnes usó helio en estado gaseoso e hidrógeno y oxígeno en estado líquido para lograr temperaturas bajas.
Al ciclar helio gaseoso a través de una cámara bañada en hidrógeno líquido frío y aire, el grupo de Onnes alcanzó con éxito una temperatura en la que el helio de una pequeña taza de té podría licuarse. Al hacerlo, el exceso de calor del estado gaseoso se disipó y el sistema alcanzó una temperatura de apenas seis
kelvins por encima del cero absoluto, el intento más cercano de su tiempo. Esta investigación le valió a Onnes el Premio Nobel en 1913. También descubrió accidentalmente la superconductividad, la capacidad de una sustancia para transportar corriente eléctrica sin resistencia. Esta propiedad hace posible, entre otras cosas, los potentes imanes superconductores que se utilizan en los detectores de resonancia magnética actuales y los aceleradores de partículas gigantes.
Los mejores sistemas de refrigeración del mundo de hoy se basan en el trabajo original de Onnes, pero ahora pueden alcanzar unos pocos milikelvins, utilizando dos isótopos diferentes de helio. A diferencia de la mayoría de los líquidos, que se congelan y se vuelven sólidos en algún punto de temperatura, el helio permanece líquido hasta el cero absoluto. Debido a que sus átomos son tan ligeros a estas temperaturas, el helio se atrae débilmente hacia otros átomos de helio de modo que se bloquean en un movimiento persistente, conocido como movimiento de punto cero, un efecto mecánico cuántico definido por el principio de incertidumbre de Heisenberg.
Operando en lo que es esencialmente un circuito cerrado, el helio actúa casi exactamente como esas moléculas de café desordenadas en su taza y disipa el exceso de calor al ambiente a medida que circula. Cuando el isótopo helio-3 migra hacia el isótopo helio-4 como resultado de la atracción y las diferencias de presión causadas por el aparato frigorífico, absorbe calor y enfría todo el sistema hasta el nivel de milikelvin.
El laboratorio de Cambridge utiliza este tipo de frigorífico para inspeccionar muchos tipos diferentes de materiales y propiedades de los materiales. Quizás el más sorprendente de ellos es el germanuro de hierro, YFe2Ge2. A bajas temperaturas, este material a base de hierro se contorsiona en un superconductor. «El descubrimiento más sorprendente es realmente la existencia de YFe2Ge2 como superconductor», dice Keiron Murphy, un estudiante de doctorado en el grupo Cambridge Quantum Matter.
El hierro, explica, normalmente destruye cualquier propiedad superconductora en un material. , independientemente de la temperatura, debido a la naturaleza magnética del hierro. La superconductividad tiene muchas aplicaciones en la ciencia, la medicina y la informática, y cada nuevo superconductor puede ayudar a fomentar una tecnología novedosa. Debido al trabajo de este laboratorio, YFe2Ge2 ahora se considera un material de referencia para investigar la superconductividad en compuestos con una estructura de hierro similar.
Desafortunadamente, dice Murphy, los estados cuánticos son «inherentemente frágiles», y una parte sustancial de las propiedades interesantes que surgen naturalmente en algunos materiales son «abrumadas por vibraciones a temperaturas más altas». . » Operando entre 1 y 10 milikelvins, el grupo Quantum Matter puede realizar mediciones a estas temperaturas durante varios meses. Pero el grupo está actualmente en el proceso de desarrollar otro refrigerador más eficiente que pueda soportar estas bajas temperaturas por más tiempo.
Con esta nueva nevera, el equipo analizará otros materiales a base de hierro a bajas temperaturas durante períodos de tiempo sostenidos y también continuará trabajando con materiales conocidos como semimetales topológicos, como ZrSiS. El comportamiento magnético a baja temperatura de los semimetales topológicos es en gran parte un misterio, ya que sus propiedades están dominadas por su topología (o la disposición de sus partes), no por sus elementos constituyentes. Y el equipo de Cambridge está listo para desenterrar sus enigmas una vez que el nuevo refrigerador esté en funcionamiento.
Extrañas propiedades físicas prosperan bajo las temperaturas extremas de baja temperatura, y las implicaciones de estas extrañas cualidades son aparentemente ilimitadas. Técnicas de sobreenfriamiento como el los utilizados en refrigeración por dilución son fundamentales para una amplia gama de disciplinas: investigación de ondas gravitacionales, superconductividad, espintrónica, computación cuántica y otras tecnologías emergentes. Aliviando las tensiones de alta temperatura, el trabajo en cero absoluto es crucial para comprender y descubrir muchas incógnitas tanto en la mecánica cuántica como en la física en general.
«A estas temperaturas, obtenemos acceso a un mundo de fenómenos exóticos, y los materiales que alguna vez fueron ordinarios se vuelven extraordinarios», dice Murphy.