MAS CERCA DEL CERO ABSOLUTO por el Prof. Dr. D. Alberto Requena Rodríguez, académico de número

Pudiera parece, a primera vista, que el calor y la contrapartida del frío, no tienen mucho que ver con la cuántica. Ciertamente, se puede decir, con propiedad que átomos y moléculas simples, únicos, no son ni calientes ni fríos. La temperatura solamente tiene sentido definirla para colectivos.

Las máquinas clásicas, mecánicas, están regidas por la Termodinámica. Si hablamos de máquinas cuánticas las cosas cambian. Se requiere cumplir, al menos, dos requisitos para la construcción de una máquina térmica cuántica: presencia de muchas partículas y la posibilidad de no destruir efectos cuánticos. En la primera condición no podrá ser que controlemos con precisión la evolución, porque si no, no podríamos hablar de calor. La segunda condición impone que el sistema sea sencillo y controlable con exquisita precisión para mantener la condición cuántica, dado que, de lo contrario, no podríamos hablar de máquina cuántica.

La primera idea sobre un motor cuántico la sugieren Scovil y Schultz-DuBois en 1959. Proponían usar un máser de tres niveles como generador cuántico de emisión coherente en el rango centimétrico. Tradicionalmente, los motores clásicos emplean fluidos como mezclas inflamables, en los de combustión interna y vapor de agua en las máquinas de vapor. En el caso de los motores cuánticos el fluido son partículas que obedecen a las leyes cuánticas. En el marco clásico, donde no hay efectos cuánticos perceptibles se pretende mejorar la eficiencia.

Científicos de la Universidad de Waterloo han empleado núcleos de carbono como fluido de trabajo en el marco de la resonancia magnética nuclear, donde se ponen en juego los espines nucleares. Los componentes del calentador y del refrigerador son, respectivamente, los modos de los fotones de baja frecuencia, en el rango de radioondas y el del refrigerante, la alta frecuencia de la precesión de Larmor de los núcleos de Carbono. Los núcleos de carbono fríos se expanden gracias a la baja frecuencia de las radioondas que interacciona con el espín nuclear. Por otro lado, los núcleos de Carbono se calientan al intercambiar energía con los núcleos de hidrógeno vecinos, que actúan de “fluido” portador de calor y se cierra el ciclo volviéndose a comprimir de nuevo. En el proceso de compresión es donde los átomos hacen un trabajo útil. Para un sistema de este tipo se ha estimado que el valor máximo posible del factor de compresibilidad es de un 44%.

Schmiedmayer, del Instituto Atómico de Viena se empeñó hace unos pocos años en transferir los principios básicos de las máquinas térmicas a los sistemas cuánticos. Requería la descripción de campo cuántico para muchos cuerpos. Establecieron la analogía con el funcionamiento de un frigorífico normal, en los que al inicio todo, refrigerante, entorno y frigorífico están a la misma temperatura. Ahora bien, una vez que el refrigerante se evapora en el interior del frigorífico, lo hace extrayendo calor interior. Cuando de nuevo se licúa el refrigerante, se libera en el exterior el calor. En definitiva, subiendo y bajando la presión conseguimos que en el interior esté mas frio y fuera mas caliente. La cuestión que se planteó Schmiedmayer es si podía lograr trasladar el mecanismo para tener una versión cuántica del mismo. Requería el manejo de condensados, logrado empleando campos electromagnéticos y láseres para sumergirse en la andadura que circula por la frontera entre la cuántica y la termodinámica. Iniciaron el camino para construir una máquina térmica cuántica.

El condensado de Bose Einstein se reconoce como un estado de la materia que, por cierto, en condiciones de microgravedad, fue materializado por los científicos de la Estación Espacial Internacional en 2020. La propiedad que lo caracteriza es que gran número de partículas pasan al nivel fundamental, de mínima energía. Es una propiedad genuinamente cuántica. Si en un condensado hacemos tres partes, inicialmente estarán a la misma temperatura, pero acoplando y separando estos subsistemas se puede conseguir que la energía térmica pase de un subsistema al otro de los que rodean al subsistema central. El efecto final es que uno de los tres subsistemas exhibirá una temperatura más baja al final del proceso.

Al principio de la existencia del condensado de Bose-Einstein el estado en el que se encontrará será de muy baja energía, pero no el de menor energía posible. Pueden darse excitaciones del campo cuántico, significando que los subsistemas pueden intercambiar cuantos individuales de energía. Aquí es donde se establece la analogía con el refrigerante, salvando las distancias, dado que el proceso clásico implica la transferencia de calor del foco caliente al frio, siempre. Al contrario, en un sistema cuántico la energía puede fluir de un subsistema a otro y retornar al original. Eso exige que el control del proceso es el que puede dirigir el proceso de intercambio de calor a base de conectar los subsistemas con precisión cuando interese.

Se ha experimentado y evidenciado que es factible este refrigerador cuántico. Promete aportar la refrigeración final, agotados los otros procedimientos que hoy permiten alcanzar temperaturas muy bajas. Será la contribución del campo cuántico para bajar la temperatura y acercarse más al cero absoluto.

Poco a poco el mundo científico avanza en el sentido del progreso y desarrollo de la Sociedad. Inagotable por un lado y con perspectivas de futuro siempre abiertas, la complejidad se va desentrañando conforme nuevas ideas logran ver la concreción en experimentos que permiten delinear avances significativos que coadyuvan a que la vida sea mas placentera desde el dominio de mayor numero de parcelas que la Naturaleza tiene acaparadas y estamos empeñados en descifrarlas para provecho de todos. Es la única forma de progreso conocida. Y no es fácil el avance, queda claro.