Cuando tocas una superficie caliente, sientes movimiento. Si presiona su mano contra una taza de té, el calor se extiende entre sus dedos. Esa es la sensación de miles de millones de átomos golpeándose juntos. Pequeñas vibraciones transportan energía térmica del agua a la taza y luego a su piel cuando una molécula golpea a la siguiente, enviándola a un tercio, y así sucesivamente.
El calor también puede atravesar el espacio como ondas de radiación, pero sin radiación, necesita cosas para atravesarlas: moléculas para golpear contra otras moléculas. Las aspiradoras no tienen "cosas" dentro, por lo que tienden a atrapar el calor. En la órbita de la Tierra, por ejemplo, uno de los mayores desafíos de ingeniería es descubrir cómo enfriar un cohete.
Pero ahora, los investigadores han demostrado que, en escalas microscópicas, esto no es realmente cierto. En un nuevo artículo publicado el 11 de diciembre en la revista Nature, los físicos mostraron que pequeñas vibraciones de calor pueden atravesar cientos de nanómetros de espacio vacío. Su experimento explotó una característica extraña del vacío cuántico: no está realmente vacío en absoluto.
"Mostramos que dos objetos pueden 'comunicarse' entre sí a través de un espacio vacío de, por ejemplo, cientos de nanómetros", dijo Hao-Kun Li, coautor principal del estudio. Li es físico en la Universidad de Stanford y trabajó en esta investigación mientras era estudiante de doctorado en la Universidad de California, Berkeley.
Cientos de nanómetros es un espacio infinitesimal en términos humanos: unas pocas milésimas de milímetro, o un poco más grande que un virus típico. Pero todavía es una brecha demasiado grande para que el calor se cruce, al menos según los modelos simples de transferencia de calor.
En 2011, los investigadores comenzaron a especular que el vacío cuántico podría transportar las vibraciones moleculares del calor. Un artículo publicado en la revista Applied Physics Letters señaló que, en física cuántica, el vacío se entiende como un lugar lleno de energía. Las fluctuaciones aleatorias de materia y energía aparecen y luego desaparecen, generalmente a escalas mucho más pequeñas de lo que la gente puede imaginar.
Esas fluctuaciones son caóticas e impredecibles. Pero podrían actuar como escalones para llevar una ola de calor, en forma de una excitación cuántica conocida como fonón, a través de una brecha. Si fuera un fonón que intentara cruzar una gran brecha de, digamos, unas pocas pulgadas, las probabilidades de que ocurran las fluctuaciones correctas en el orden correcto para atravesarlo serían tan bajas que el esfuerzo sería inútil.
Pero reducen la escala, mostraron los investigadores, y las probabilidades mejoran. Con aproximadamente 5 nanómetros, esta extraña rayuela cuántica se convertiría en la forma dominante de transferir calor a través del espacio vacío, superando incluso la radiación electromagnética, que anteriormente se pensaba que era la única forma en que la energía cruza el vacío.
Aún así, esos investigadores predijeron que el efecto sería significativo solo en una escala de aproximadamente 10 nanómetros. Pero ver algo en una escala de 10 nanómetros es difícil.
"Cuando diseñamos el experimento, nos dimos cuenta de que esto no se puede hacer fácilmente", dijo Li a Live Science.
Incluso si ocurre el efecto, la escala espacial es tan pequeña que no hay una buena manera de medirla de manera concluyente. Para producir la primera observación directa de calor cruzando un vacío, los físicos de UC Berkeley descubrieron cómo escalar el experimento.
"Diseñamos un experimento que utiliza membranas mecánicas muy blandas", lo que significa que son muy elásticas o elásticas, dijo Li.
Explicó que si toca una cuerda rígida de guitarra de acero, las vibraciones resultantes serán mucho más pequeñas que las que vería si tocara una cuerda de guitarra de nylon más elástica con la misma fuerza. Lo mismo sucedió en la nanoescala en el experimento: esas membranas ultraelásticas permitieron a los investigadores ver pequeñas vibraciones de calor que de otro modo no habrían sido visibles. Al rebotar cuidadosamente la luz de esas membranas, los investigadores pudieron observar fonones de calor que cruzaban la brecha aún minúscula.
En el futuro, dijo Li, este trabajo podría resultar útil, tanto para las personas que construyen computadoras normales como para los diseñadores de computadoras cuánticas.
Un problema clave en la construcción de microchips mejores y más rápidos es descubrir cómo dispersar el calor de los circuitos agrupados en pequeños espacios, dijo Li.
"Nuestro hallazgo en realidad implica que se puede diseñar el vacío para disipar el calor de los chips de la computadora o los dispositivos a nanoescala", dijo.
Si tuviera que ajustar la aspiradora al darle la forma adecuada con los materiales correctos, podría, en el futuro, ser más eficaz para extraer el calor de un chip que cualquier medio existente, dijo.
Las técnicas que emplearon los investigadores también podrían usarse para enredar los fonones, las vibraciones mismas, a través de diferentes membranas. Eso vincularía los fonones a nivel cuántico de la misma manera que los físicos cuánticos ya vinculan fotones, o partículas de luz, que están separadas en el espacio. Una vez vinculados, los fonones podrían usarse para almacenar y transferir información cuántica, para funcionar como los "qubits mecánicos" de una computadora cuántica hipotética. Y una vez enfriados, dijo, los fonones deberían ser aún más eficientes en el almacenamiento de datos a largo plazo que los qubits tradicionales.
