La física cuántica encierra misterios capaces de sorprender incluso a las mentes más creativas. Imagina un líquido capaz de desafiar la gravedad y trepar por las paredes del recipiente que lo contiene, escapando de inmediato. O un disco de metal que simplemente permanece en el aire, en cualquier eje que elijas.
¿Dudas? Bueno, mira el video de arriba. Podemos esperar dos minutos antes de llenar tu cabeza con explicaciones de fenómenos increíbles, que parecen provenir de mundos inventados por escritores chiflados y pintores surrealistas.
Superconductores: ¿una solución a la crisis energética?
El imán flota sobre una barra superconductora (Fuente de la imagen: Wikimedia Commons)
Cuando se enfrían a una temperatura cercana al cero absoluto (-273,15 ºC), muchos metales pierden significativamente su resistencia a la electricidad, convirtiéndose en superconductores. Los cables ordinarios, encargados de llevar la electricidad desde los generadores hasta nuestros hogares, acaban perdiendo cerca del 10% de su energía en forma de calor, debido a su resistencia. Los superconductores no pierden energía.
Por si fuera poco, estos materiales generan un campo magnético muy fuerte y, no por casualidad, se utilizan en la construcción del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) para conducir las partículas por un camino específico y también ayudar en la detección de eventos. causado por una colisión. (PDF en inglés)
Además, también es posible que los superconductores almacenen grandes cantidades de energía. Esto podría usarse, por ejemplo, junto con recursos renovables. Dado que la generación de energía eólica, solar e hidroeléctrica es algo impredecible, estos superconductores podrían ahorrar la cantidad adicional producida cuando la demanda es baja. De esta manera, el problema energético mundial podría resolverse.
Superconductor levitando sobre un imán de barra (Fuente de la imagen: Wikimedia Commons)
Descubiertos en 1911, estos metales helados también tienen otra característica impresionante: el efecto flotante que se muestra en el video de arriba. Simplemente coloque un superconductor en un imán y permanecerá en el aire. Esto sucede porque el campo magnético del imán finalmente hace que el superconductor también cree su propio campo. La repulsión mutua entre ellos hace que el superconductor flote sobre el imán.
Esto podría usarse, por ejemplo, en sistemas de transporte: un tren que flota en las vías no tendría fricción y, por lo tanto, viajaría a una velocidad muy alta. Ya hay trenes experimentales en Japón y China que se benefician de esta tecnología. Sin embargo, tal levitación magnética, como se llaman los trenes, no utilizan metal como superconductor porque el coste de refrigeración sería demasiado elevado. En su lugar, se utiliza una cerámica que puede ser superconductora a temperaturas mucho más altas, enfriándose con nitrógeno líquido y abaratando el proceso.
Llegados a este punto, el lector atento probablemente se preguntará: si los trenes necesitan una refrigeración especial para seguir levitando, ¿cómo es posible que los superconductores funcionen tan bien en el LHC? La respuesta, por supuesto, se encuentra en otras cosas fantásticas.
Superfluido: el primo líquido del superconductor
Al enfriar el helio líquido a una temperatura inferior a -271°C, el elemento también gana supercondensadores. Para empezar, pierde toda su viscosidad, es decir, su fricción interna, y tiene menos resistencia que cualquier gas. De esta manera, cuando se almacena con equipos comunes, el superfluido puede escaparse por los diminutos poros de un recipiente e incluso trepar por sus costados para escapar de la «cárcel» porque el líquido es tan fluido que ni siquiera tiene tensión superficial.
Si bien es interesante observar (ver el video de arriba), estos fenómenos no tienen mucha aplicación práctica. Por otro lado, no se puede decir lo mismo de las capacidades térmicas del superfluido. Si sacamos un líquido corriente de la nevera, por ejemplo, se irá calentando con el tiempo. Lo mismo es cierto si el fluido se agita después de salir de la refrigeración.
Pero con el superfluido, este no es el caso. Es capaz de mantener la temperatura absurdamente baja durante un largo periodo de tiempo, incluso sirviendo para enfriar los superconductores repartidos a lo largo de los 27 kilómetros de circunferencia que forman el LHC. Para que te hagas una idea, la temperatura del “super-helio” aumenta menos de 0,10°C por cada kilómetro recorrido. Sin el superfluido sería imposible construir esta máquina.
¿Por qué está pasando todo esto?
Básicamente, estos fenómenos son los resultados del mundo cuántico, es decir, acciones que ocurren en el interior de los átomos de un elemento. La temperatura cercana al cero absoluto hace que las partículas subatómicas (bosones) de un elemento se comporten de una manera que cambia el estado de la materia, convirtiéndose en lo que los físicos llaman Condensado de Bose-Einstein.
En el caso del superfluido, la bajísima temperatura hace que los átomos de helio acaben comportándose como si fueran un solo átomo gigante, con el nivel de energía más bajo posible. Sus extraños rasgos emergen de este momento.
La viscosidad de un líquido es la disipación de energía por la fricción interna de sus partículas, pero como el condensado ya tiene el nivel de energía más bajo posible, ya no puede disiparla, perdiendo así esta característica.
Además, si suspendes parte de este superátomo, termina adquiriendo más energía potencial gravitatoria, creando una situación de desequilibrio para el superfluido. Así, el líquido acaba «trepando» por las paredes de un recipiente para volver al equilibrio original.
Los superconductores también son un condensado de Bose-Einstein, pero por razones diferentes a las del superfluido. Básicamente, bajo el frío helado cerca del cero absoluto, los pares de electrones también pierden su capacidad de disipar energía y comienzan a comportarse de las formas extrañas que hemos visto en este artículo.
Sin supermateriales, la construcción del LHC no sería posible (Fuente de la imagen: boston.com)
Y, según la revista científico nuevo, eso no es todo: hay estados de la materia aún más extraños. El helio, por ejemplo, se puede manipular hasta que se vuelve sólido. Esto requiere una temperatura aún más baja (-272°C) y una presión atmosférica 25 veces mayor que la de la Tierra. En este estado, el helio perturba por completo nuestra noción de solidez, permitiendo que, en determinadas condiciones, este sólido pueda cruzar a otro sólido, como si fuera un fantasma cruzando una pared.
Este fenómeno aún más extraño fue observado por primera vez en 2004 por investigadores de la Universidad de Pensilvania. En ese momento, observaron que una frecuencia resonante en el recipiente que agitaba helio sólido se comportaba como si hubiera dos «objetos» en su interior, que se atravesaban entre sí.
Después de todo esto, esperamos que puedas volver a dormir. Aquí en la sala de redacción de Tecmundo, todavía pasamos noches en vela reflexionando sobre la rareza del mundo cuántico y esperando ansiosamente que la ciencia haga descubrimientos aún más intrigantes.