Pensándolo bien...

La temperatura es uno de los conceptos más familiares de la vida diaria. Encendemos un horno para cocinar, regulamos un termostato o nos protegemos del frío. En todos estos casos asumimos que el calor fluye suavemente desde los puntos más calientes hacia los fríos hasta alcanzar un equilibrio uniforme. Sin embargo, la física moderna, y en particular la mecánica cuántica, cuestiona esta percepción intuitiva.

Los avances logrados en el ámbito de los nanomateriales y las técnicas de medición ultrafinas han evidenciado que la noción clásica de temperatura tiene dificultades a escala cuántica. El ejemplo más fascinante proviene del grafeno, una estructura bidimensional de carbono, porque investigaciones recientes evidencian que, en este material, el calor no fluye de manera uniforme, sino que responde a patrones ondulatorios. La temperatura se comporta, también, como una propiedad cuántica, con interferencias y nodos fríos y calientes, coexistiendo en un mismo sistema. Este hallazgo sugiere aplicaciones revolucionarias en áreas como computación, medicina o monitorización ambiental.

En física clásica, el calor es la transferencia de energía entre cuerpos con distinta temperatura. La segunda ley de la termodinámica establece que esta transferencia ocurre espontáneamente del foco caliente al frío. El modelo que establece la teoría cinética de los gases consolidó la idea de que la temperatura mide la energía cinética promedio de las partículas.

En la práctica, cuando horneamos un bizcoch, esperamos que el calor se propague gradualmente por conducción, convección y radiación. Aunque pueda haber irregularidades, la noción sigue siendo la de un flujo continuo y homogéneo. Pero esta imagen se cuestiona a escala nanométrica, donde la materia ya no se comporta como un continuo y la naturaleza cuántica de electrones y fonones se impone.

La mecánica cuántica describe a electrones y fonones como entidades sujetos a la dualidad onda-partícula. En los sólidos, el calor puede transportarse mediante fonones, que es la denominación atribuida a las vibraciones colectivas de la red cristalina o mediante electrones que portan energía además de carga. En materiales convencionales, este transporte es difuso, pero en sistemas cuánticos de alta coherencia, como el grafeno, los electrones se desplazan como ondas extendidas, generando patrones de interferencia. Así, la temperatura deja de ser continua y puede presentar nodos fríos y calientes según la fase de las ondas electrónicas.

El grafeno, aislado en 2004 por Geim y Novoselov, consiste en una capa de carbono enmarcada en una red hexagonal. Es extremadamente resistente, flexible, casi transparente y un excelente conductor. Su particularidad es la movilidad extraordinaria de sus electrones, que se comportan como partículas relativistas sin masa. En este material, el transporte de calor ocurre mediante ondas cuánticas capaces de interferir, generando paisajes térmicos insólitos que se concretan en zonas frías junto a otras calientes, contraviniendo la intuición clásica. Experimentos llevados a cabo con microscopios térmicos de alta resolución han permitido observar directamente estas ondas de calor, e incluso ajustar su longitud de onda.

La idea de que la temperatura oscile como una onda es contraintuitiva. En la visión clásica, es una magnitud escalar uniforme. En cambio, en el grafeno aparecen nodos térmicos semejantes a los de una cuerda de guitarra, lo que supone puntos fríos y calientes próximos entre sí. Esto cuestiona el concepto mismo de equilibrio térmico porque pone en entredicho el que pueda hablarse de equilibrio cuando existen oscilaciones persistentes dentro de un sistema.

No es difícil identificar que esto tiene consecuencias conceptuales. El fenómeno obliga a replantear aspectos fundamentales de la termodinámica. Uno de ello es la propia definición de temperatura, al cuestionar si se debe seguir entendiendolo como promedio de energías cinéticas o como una propiedad cuántica local. La segunda ley de la Termodinámica se ve afectada en concreto en cómo se aplica la irreversibilidad cuando el calor oscila siguiendo patrones interferenciales. La propia entropía y el concepto de información, se cuestionan, porque la relación entre termodinámica e información podría enriquecerse con la noción de temperatura cuántica.

Las aplicaciones que se vislumbran de este nuevo concepto son de mucho interés, como en el área de computación y nanoelectrónica, ya que el control selectivo del calor permitiría disiparlo, por ejemplo, en procesadores y se podría abordar el diseño de circuitos térmicos tan precisos como los eléctricos. En medicina afectaría al concepto de hipertermia localizada, ya que se podría atacar células cancerígenas sin dañar las adyacentes. En monitorización ambiental, cabe esperar el desarrollo de sensores ultrasensibles que podrían funcionar en entornos extremos o en el campo general de la energía, porque ayudaría a Optimizar la conversión termoeléctrica y la gestión del calor residual.

Obviamente, hay  que afrontar desafíos importantes, desde medir oscilaciones de calor a escala nanométrica a ampliar modelos de transporte cuántico, pasando por traducir efectos de laboratorio a dispositivos estables y fomentar la colaboración interdisciplinar. Cabe esperar observar el fenómeno en otros materiales bidimensionales, crear prototipos de dispositivos térmicos cuánticos e integrar estos hallazgos en la naciente termodinámica cuántica.

Si retomamos la metáfora del bizcocho, recordemos que en un horno clásico se cocina homogéneamente, pero en un horno cuántico algunas partes quedarían doradas mientras otras seguirían crudas, porque el calor mismo se comporta como una onda. El grafeno ha revelado que la temperatura puede ser ondulatoria, generando paisajes térmicos inesperados. Este hallazgo desafía fundamentos de la termodinámica y abre la puerta a innovaciones tecnológicas. La imagen del horno cuántico nos recuerda que incluso los conceptos más familiares pueden transformarse cuando se miran a través de la física cuántica.

Es muy importante la distinción de calor y temperatura. Esa distinción es fundamental y a menudo se confunde. El calor sí puede mostrar comportamiento cuántico. El calor, en realidad, es un modo de transferencia de energía. En el nivel microscópico, esa energía puede transmitirse en cuantos discretos: en un sólido, por fonones (vibraciones cuantizadas de la red) y en el vacío o entre cuerpos, por fotones térmicos (cuantos de radiación electromagnética). Esto significa que el calor puede manifestar propiedades ondulatorias y corpusculares, con fenómenos de interferencia, dispersión o transporte balístico. Decimos que el calor tiene un comportamiento cuántico, porque sus portadores elementales (fotones y fonones) obedecen las reglas de la mecánica cuántica.

La temperatura es otra cosa: no es un ente físico microscópico, sino una magnitud estadística y macroscópica y se define como una medida del nivel de energía promedio de un sistema en equilibrio.

En formulación estadística:

La temperatura emerge cuando hay un gran número de partículas. A diferencia del calor, la temperatura no tiene cuantos; no hay “paquetes discretos de temperatura” como sí los hay de energía o radiación. Por eso no hablamos de “temperatura cuántica” en el mismo sentido que decimos “calor cuántico”.

¿Dónde aparece la confusión? En sistemas muy pequeños (unos pocos átomos, un qubit, un nanodispositivo), la definición clásica de temperatura se vuelve problemática, porque las fluctuaciones son comparables al promedio. En esos casos, se habla de temperatura efectiva cuántica, pero siempre como una herramienta estadística, no como algo intrínsecamente cuantizado. Lo que es cuántico en sí mismo es el espectro de energía del sistema, no la temperatura.

Así pues, el calor puede ser cuántico porque está mediado por fotones o fonones, que sí son cuantos. La temperatura no es cuántica porque es un parámetro estadístico emergente, no una magnitud elemental. A lo sumo, en nanofísica y termodinámica cuántica se usan temperaturas efectivas que dependen de cómo se distribuyen los cuantos de energía en un sistema pequeño.

En otras palabras: calor es energía en tránsito y sí puede ser descrito cuánticamente (fotones, fonones), la temperatura es una medida macroscópica de equilibrio y solo tiene sentido estadístico, no cuántico.

Sopa de letras: HORNO CUÁNTICO

Soluciones: MISTERIOS DEL HIELO