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Nuevo mecanismo para transferir calor a través del vacío cuántico

La mayoría de los niños aprenden muy pronto que pueden quemarse si tocan una estufa caliente o incluso si se ponen demasiado cerca de un fuego. Ya lleguen a través del contacto directo o de rayos de luz que se propagan en el espacio, las lecciones sobre la transferencia de calor son tan intuitivas (y a menudo dolorosas) como inolvidables. Pero los científicos acaban de revelar una nueva y sorprendente forma en que el calor puede desplazarse entre dos puntos. Gracias a las extrañas propiedades cuánticas del espacio vacío, el calor puede viajar de un lugar a otro sin la ayuda de la luz. El hallazgo se publicó el 11 de diciembre en la revista Nature.

En términos generales, el calor es la energía relacionada con el movimiento de las partículas: cuanto más rápido se mueven, más calientes están. A escalas cósmicas, casi toda la transferencia de calor ocurre a través del espacio vacío, por medio de los fotones (partículas de luz) emitidos por las estrellas: así es como el Sol calienta nuestro planeta, pese a estar a unos 150 millones de kilómetros de distancia. Aquí en la Tierra, el flujo de calor a menudo se produce de manera más íntima, por el contacto directo entre dos materiales y con la ayuda de las vibraciones colectivas de los átomos, cuyas unidades básicas o cuantos se denominan “fonones”.

Durante mucho tiempo se pensó que los fonones no podían transferir energía térmica a través del espacio vacío: requerían dos objetos que estuvieran en contacto o, al menos, conectados por un medio adecuado como el aire. Este principio es el que aprovechan los termos para mantener su contenido caliente o frío: emplean una pared que encierra un vacío para aislar un recipiente interior. No obstante, los científicos han especulado durante años sobre la posibilidad de que los fonones pudieran transmitir calor a través del vacío, seducidos por una curiosa consecuencia de la mecánica cuántica: el hecho de que el espacio nunca puede estar realmente vacío.

De acuerdo con la mecánica cuántica, el universo es intrínsecamente indeterminado: por ejemplo, por mucho que lo intentemos, nunca podremos especificar a la vez la posición y el momento de una partícula subatómica. Como resultado de esta incertidumbre, el vacío es un hervidero de fluctuaciones cuánticas, partículas virtuales que se crean y se destruyen sin cesar. “El vacío nunca está del todo vacío”, corrobora Xiang Zhang, físico de la Universidad de California en Berkeley y autor principal del nuevo estudio sobre la transferencia de calor mediante fonones.

Los científicos descubrieron hace decenios que las partículas virtuales no eran solo posibilidades teóricas, sino que podían generar fuerzas detectables. Por ejemplo, el efecto Casimir es una fuerza atractiva que se observa entre ciertos objetos próximos, como dos espejos situados en el vacío a muy poca distancia el uno del otro. Estas superficies reflectantes se mueven debido a la fuerza generada por los fotones virtuales que aparecen y desaparecen continuamente.

Si esas efímeras fluctuaciones cuánticas podían dar lugar a fuerzas reales, cavilaban los teóricos, tal vez también serían capaces de transferir calor sin radiación térmica. Para visualizar cómo podría ocurrir este calentamiento basado en fonones y asistido por las fluctuaciones cuánticas, imaginemos dos objetos a distinta temperatura separados por un vacío. Los fonones del objeto más caliente podrían conferir energía térmica a los fotones virtuales del vacío, que luego la transferirían al objeto más frío. Si ambos objetos son básicamente colecciones de átomos que oscilan, las partículas virtuales podrían actuar como muelles que trasladan las vibraciones del uno al otro.

La cuestión de si las fluctuaciones cuánticas podían ayudar a los fonones a transferir calor a través del vacío “ha sido objeto de debate entre los teóricos durante alrededor de una década”, señala John Pendry, físico del Colegio Imperial de Londres que no participó en el nuevo estudio. “En ocasiones, las estimaciones sobre la fuerza del efecto variaban enormemente, ya que los cálculos son bastante complejos.”

En general, esas investigaciones previas sugerían que el fenómeno solo podría observarse entre objetos separados como mucho por unos pocos nanómetros (milmillonésimas de metro), explica Pendry. A distancias tan diminutas, añade, las interacciones eléctricas entre los objetos u otros fenómenos a escala nanonométrica podrían encubrir este efecto de los fonones, dificultando mucho su detección.

Zhang y sus colegas trabajaron denodadamente durante cuatro años para resolver ese problema. Diseñaron y perfeccionaron experimentos por ensayo y error, con el fin de poder observar la transferencia de calor mediante fonones en el vacío a mayores distancias, de hasta cientos de nanómetros.

Para ello emplearon dos membranas de nitruro de silicio, cada una de unos 100 nanómetros de espesor. La extraordinaria delgadez y ligereza de estas láminas hace que resulte más fácil determinar si la energía de una de ellas tiene algún efecto sobre los movimientos de la otra. Las vibraciones de los átomos de las membranas las curvan hacia delante y hacia atrás, con una frecuencia que depende de su temperatura.

El equipo de Zhang se percató de que si las láminas fueran del mismo tamaño pero estuvieran a temperaturas distintas, temblarían con frecuencias diferentes. Con esto en mente, los científicos ajustaron los tamaños de las membranas de manera que, aunque sus temperaturas iniciales (13,85 y 39,35 grados Celsius) no coincidían, ambas vibraban unas 191.600 veces por segundo. Cuando dos objetos comparten la misma frecuencia, tienden a entrar en “resonancia” e intercambian energía de manera muy eficiente. Un ejemplo bien conocido de este fenómeno de la resonancia ocurre cuando una cantante de ópera consigue dar con la nota correcta para que una copa de champán se rompa.

Además, los investigadores debieron asegurarse de que las membranas fueran casi perfectamente paralelas entre sí (con una precisión de unos pocos nanómetros), algo esencial para poder medir con precisión las fuerzas que podían ejercer una sobre otra. También se cercioraron de que las membranas fueran extremadamente lisas, con variaciones superficiales que no sobrepasaban 1,5 nanómetros.

Las láminas estaban fijadas a una superficie en el interior de una cámara de vacío, y una de ellas estaba conectada a un calentador y la otra a un refrigerador. Ambas membranas, recubiertas con una finísima capa de oro para hacerlas reflectantes, se irradiaron con rayos láser de baja potencia para detectar sus oscilaciones y, por lo tanto, su temperatura. Ensayo tras ensayo, los científicos comprobaron que las membranas no intercambiaban calor a través de la superficie sobre la que estaban fijadas o por medio de cualquier emisión de luz visible u otra radiación electromagnética.

“Este experimento nos obligó a controlar de manera muy precisa la temperatura, la distancia y la alineación”, comenta Zhang. “En una ocasión, durante el verano, tuvimos problemas para llevarlo a cabo porque las altas temperaturas ambientales calentaban el laboratorio. Además, se tarda mucho tiempo en realizar la propia medición, porque hay que eliminar el ruido: nos llevó cuatro horas obtener cada uno de los datos.”

En última instancia, Zhang y sus colaboradores hallaron que cuando las membranas se acercaban a menos de 600 nanómetros, comenzaban a exhibir cambios de temperatura que solo podían explicarse a partir de los fonones y las fluctuaciones cuánticas. Por debajo de los 400 nanómetros, la tasa de intercambio de calor era lo bastante alta como para que las láminas tuvieran una temperatura casi idéntica, lo que demuestra la eficacia del mecanismo.

Los investigadores calcularon que la máxima tasa de energía que trasmitieron los fonones a través del vacío fue de unos 6,5 × 10-21 julios por segundo. A esa velocidad, se necesitarían unos 50 segundos para transferir la energía de un fotón de luz visible. Aunque el efecto pueda parecer insignificante, Zhang remarca que no deja de constituir “un nuevo mecanismo para la transferencia de calor entre objetos”.

“Me alegra ver datos experimentales que confirman que los fonones pueden saltar la brecha [del vacío]”, afirma Pendry. “Es un experimento sensacional y diría que sin precedentes.”

En principio, este mecanismo podría incluso servir para que las estrellas calentaran sus planetas. Sin embargo, dadas las distancias de las que estamos hablando, la magnitud del efecto sería “sumamente pequeña”, hasta el punto de resultar completamente insignificante, dice Zhang.

En clave más cercana, el hallazgo podría permitir que los ingenieros gestionen mejor el calor de los componentes electrónicos en que se basan los teléfonos inteligentes, ordenadores portátiles y otros dispositivos, a medida que se hacen más y más pequeños. “Por ejemplo, en los discos duros, el cabezal magnético de lectura y escritura se mueve sobre la superficie del disco a una distancia de tan solo tres nanómetros”, apunta Zhang. “A distancias tan cortas, esperamos que el nuevo mecanismo de transferencia de calor juegue un papel importante, por lo que debería tenerse en cuenta a la hora de diseñar dispositivos de almacenamiento magnético.”

Zhang observa que las fluctuaciones cuánticas no producen solo fotones virtuales: hay muchos otros tipos de partículas virtuales, entre ellas los gravitones virtuales (cuantos de energía gravitatoria). “Una pregunta abierta muy interesante es si las fluctuaciones cuánticas de los campos gravitatorios podrían dar lugar a un mecanismo de transferencia de calor que resulte relevante a escalas cosmológicas”, concluye.

Fuente: investigacionyciencia.es