La termodinámica, la rama de la física que se ocupa de las relaciones del calor con otras formas de energía, está basada en cuatro famosos principios o “leyes” que establecen los límites de lo posible en sistemas clásicos y tuvieron gran impacto en la ciencia y en la ingeniería de los últimos dos siglos. Sin embargo, desde hace algún tiempo, los científicos están embarcados en un desafío titánico: averiguar de qué manera esas leyes rigen en el intrincado dominio microscópico de la mecánica cuántica.

Ahora, trabajando con una familia de refrigeradores diminutos, un grupo de físicos argentinos confirmó la validez de una de las leyes recientemente más discutidas a escala cuántica: aquella que sostiene que es imposible alcanzar el cero absoluto o el máximo frío teórico posible (-273,15°C), y postuló un mecanismo hasta ahora inadvertido que podría explicar la generación de calor en condiciones de muy bajas temperaturas.

“Algunos trabajos recientes afirmaban que ese postulado, la tercera ley de la termodinámica, podía violarse a un nivel cuántico”, sostiene uno de los autores, Nahuel Freitas, del Instituto de Física de Buenos Aires (IFIBA). “Pero, en el sistema que estudiamos, comprobamos que existe un límite al enfriamiento que no se puede evitar”.

Para sorpresa de los propios investigadores, el mecanismo que le pone freno al frío extremo es análogo a uno de los fenómenos más desconcertantes de la física cuántica: el llamado “efecto Casimir dinámico” o ECD, que  implica la generación de pares de partículas de luz o fotones a partir del vacío cuántico inducida por un cuerpo en movimiento acelerado. El ECD, predicho por primera vez en la década de los ‘70 y comprobado experimentalmente en 2011, propicia “el nacimiento de algo a partir de nada”, según resumió el físico Francisco Villatoro en su blog “La ciencia de la Mula Francis”.

En el nuevo trabajo, presentado en ARXIV y enviado a publicación, los investigadores estudiaron matemáticamente las condiciones de funcionamiento de cierto tipo de “refrigeradores cuánticos”: máquinas térmicas que son capaces de enfriar un reservorio o entorno mediante el intercambio de energía a un nivel cuántico. Estos sistemas funcionan como heladeras en miniatura.

En particular, Freitas y su director, Juan Pablo Paz, del IFIBA, analizaron la operación de una máquina térmica conectada con distintos entornos o reservorios térmicos a los que quería enfriar. Ellos observaron que el límite último del enfriamiento, esto es, la imposibilidad de llevar el reservorio al cero absoluto, está impuesto por un proceso cuántico fundamental que solo se torna evidente a muy bajas temperaturas: la formación de pares de excitaciones o cuantos de energía que no se pueden intercambiar ni transferir a otras partes del sistema. “Ese proceso, por su naturaleza, le da energía al sistema, y, por lo tanto, genera calor”, señala Freitas. Haciendo una analogía, es como si hubiera un par de fósforos que se encienden cada vez que el termómetro se acerca a su mínimo y calientan unas milésimas de grado el ambiente.

El nuevo hallazgo avala la propuesta teórica de dos científicos italianos, quienes, usando un modelo más sencillo, postularon por primera vez en 2015 la participación del ECD como una especie de reacción o contrapeso al frío extremo. “Me alegro que hayan podido confirmar con cálculos más complicados, y en un ámbito más general, nuestros resultados que estaban basados en una intuición física y en cálculos simples”, dice a Scientific American el doctor Giuliano Benenti, del Centro de Sistemas No Lineares y Complejos de la Università degli Studi dell'Insubria, en Como, Italia. 

Según Paz, quien también lidera el Grupo de Información Cuántica y Fundamentos de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la Universidad de Buenos Aires, el mismo efecto cuántico permitiría explicar por qué no se puede bajar más la temperatura en el enfriamiento láser: el método más efectivo para reducir el movimiento o “estado de agitación térmica” de átomos, moléculas y ciertos objetos con el propósito de acercarlos al cero absoluto. Aquí, otra vez, la generación del par de excitaciones del ECD impediría que se alcance ese valor mínimo. 

“Me parece un trabajo muy interesante”, dice a Scientific American el físico español Luis Correa, investigador del Grupo de Correlaciones Cuánticas de la Escuela de Ciencias Matemáticas de la Universidad de Nottingham, Inglaterra. “Los autores fueron capaces de identificar un mecanismo físico de calentamiento que, si bien puede despreciarse en la mayoría de situaciones, se vuelve dominante a bajas temperaturas”, destaca. 

De acuerdo con Correa, desde el punto de vista teórico es interesante investigar en qué situaciones el comportamiento de un sistema cuántico individual se asemeja al de un sistema macroscópico. “Así, igual que hablamos de motores y refrigeradores, podemos estudiar motores cuánticos y refrigeradores cuánticos: calcular su potencia, su eficiencia y entender sus limitaciones”, precisa. En el futuro, anticipa, se podrían diseñar y usar máquinas térmicas cuánticas para, por ejemplo, enfriar los registros de una computadora cuántica o manipular sensores minúsculos que midan campos magnéticos o la temperatura. 

Pero el nuevo hallazgo podría tener incluso otras aplicaciones más extendidas. Una característica del par de excitaciones o “paquetes” de energía generados en el ECD es que guardan correlación cuántica: una propiedad clave en los desarrollos que buscan la transmisión inviolable de información confidencial, la teletransportación cuántica o la resolución de problemas que exceden la capacidad de las computadoras clásicas. 

“Aunque las chances de extraer esas correlaciones y usarlas para algo pueda ser baja, siempre es importante saber si existen”, apunta Paz.