Hace casi 50 años se predijo que parte del calor que fluye por una unión especial entre dos materiales superconductores mostraría fenómenos cuánticos y, contra toda lógica, que podría pasar desde el más frío al más caliente. Ahora una científica española y uno italiano acaban de hacer realidad la predicción gracias a un nuevo interferómetro.
“Hemos realizado experimentalmente un objeto que nos permite jugar con la dirección en la que se propaga una parte de la corriente de calor gracias a su propiedades cuánticas”. Así resume la investigadora María José Martínez-Pérez el estudio que ha desarrollado junto a su colega Francesco Giazotto en el centro NEST de Pisa (Italia). Los resultados se han publicado recientemente en la revista Nature.
No es fácil explicar en pocos párrafos la trascendencia del avance, pero “se trata de una observación extraordinaria en sí misma: la demostración de un fenómeno que ha impresionado a muchos físicos”, según destaca a SINC Martínez-Pérez.
La historia comienza en 1965, cuando los físicos Kazumi Maki y Allan Griffin predijeron que el transporte de calor a través de un tipo particular de unión –denominada Josephson– entre dos materiales superconductores podía reflejar consecuencias relevantes de la física cuántica.
Esa corriente de calor procede de dos fuentes. La primera son electrones sueltos (cuasipartículas), que trasportan el calor de una forma ‘lógica’ del lado caliente al frío. La segunda, sin embargo, es ‘anómala’ y propia de las uniones Josephson. Surge de la interacción entre las cuasipartículas y pares de electrones juntos –denominados pares de Cooper–, y, de forma sorprendente, se transmite en la dirección opuesta al gradiente térmico, es decir, del polo frío al caliente.
Esta segunda componente es precisamente la que han demostrado ahora los científicos. “Nuestros experimentos demuestran las ‘extrañas’ predicciones de Maki y Griffin, que parecían contradecir toda intuición al plantear una transmisión de calor del foco frío al caliente, además de la existencia de fenómenos de coherencia cuántica en la naturaleza desordenada y caótica del calor”, dice la investigadora.
Se dice que un conjunto de ondas es ‘coherente’ cuando guardan una relación de fase durante su propagación, una propiedad que además produce interferencia –aparecen ondas resultantes de la suma de varias–. En el marco de la física cuántica, los pares de Cooper se consideran paquetes de ondas coherentes.
Esta coherencia cuántica es un fenómeno muy conocido en el transporte de las cargas eléctricas, pero la novedad ahora es que se demuestra para una propiedad física ‘rara’ como el calor. “Intuitivamente el calor se entiende como desorden, entropía, fluctuaciones…, por lo que resulta sorprendente que un observable de este tipo ‘sufra’ las leyes de la física cuántica”, comenta Martínez-Pérez.
En el caso eléctrico, la coherencia cuántica se observa con dispositivos como los interferómetros de corriente o SQUID (Superconducting QUantum Interference Device). Se trata de un anillo superconductor dividido en dos semicircunferencias enlazadas por uniones Josephson. Esta geometría permite a los investigadores observar interferencia en el transporte de la carga.
Versión térmica de SQUID
Martínez-Pérez y Giazotto han fabricado la versión térmica de un SQUID para hacer el estudio: “En nuestro experimento calentamos una de las semicircunferencias intencionalmente mientras que la otra mitad permanece a una temperatura menor. Jugando con el campo magnético que atraviesa el anillo se observa cómo una parte de la corriente de calor es modulada gracias a su coherencia y cómo, además, se transmite del foco frío al caliente”.
La científica aclara que esto “aparentemente contradice el segundo principio de la termodinámica, pero en realidad no se viola si se considera la entropía total del sistema”.
El descubrimiento puede derivar en innovadoras líneas de investigación, como el diseño de nuevos transistores de calor y futuros ‘circuitos caloritronicos coherentes’, aunque de momento la pareja de científicos se centra en el estudio del fenómeno en sí, sin enfatizar demasiado sus posibles aplicaciones.
La investigadora española destaca el verdadero valor del trabajo: “En un tiempo en el que la mecánica cuántica ha sido más que demostrada y nadie duda de su potencia para describir el mundo microscópico, resulta muy hermoso que todavía pueda seguir sorprendiéndonos”.
Referencia bibliográfica:
Francesco Giazotto y María José Martínez-Pérez. “The Josephson heat interferometer”. Nature, diciembre de 2012. Doi: doi:10.1038/nature11702.
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Aunque a veces se les denomina ‘calamares cuánticos’, por ser la traducción directa de la palabra inglesa squid, no tienen nada que ver con los cefalópodos. Los SQUID o interferómetos de corriente llevan su nombre por sus siglas en inglés: Superconducting QUantum Interference Device. Se trata de dispositivos muy importantes desde un punto de vista tecnológico. De hecho, constituyen el sensor de campo magnético más sensible que existe en la actualidad.
Se utilizan en laboratorios de todo el mundo para detectar señales magnéticas débiles, como las producidas por el cerebro de un ser vivo o la que originan diminutas moléculas magnéticas. Los SQUID también se usan en circuitos superconductores como elemento amplificador y son candidatos prometedores a constituir el corazón de la computación cuántica.
En el SQUID térmico de Martínez-Pérez y Giazotto se ha utilizado aluminio como material superconductor, ya que es muy fácil de evaporar. Este elemento es la base de muchos microcircuitos superconductores actuales. Las dos semicircunferencias que forman el interferómetro se unen formando un anillo de unos 2,5 micras de radio. Por su parte, las uniones Josephson que las enlazan forman un fino substrato (2-3 nm) de aluminio oxidado que se ‘sandwichetea’ entre los dos electrodos de aluminio.
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