Hace menos de un año, el Premio Nobel de Física edición 2003 cayó en manos de tres físicos (los rusos Alexei Abrikosov, Vitaly Ginzburg y el inglés Anthony Leggett) por sus “contribuciones pioneras a la teoría de los superconductores y los superfluidos”, ambos extraños fenómenos que se producen únicamente a temperaturas tan bajas que, con sólo pensarlas, dan miedo: -273ºC, la temperatura más baja que puede existir, más conocida por su nombre “monárquico”: el cero absoluto. Del mismo modo en que los calores se disiparon en la ceremonia de premiación en Estocolmo, los termómetros de la confitería del Hotel Bauen (Av. Callao 360) chillaron de frío en ocasión del cuarto Café Científico que llevó el título de “Cero Absoluto: cuando nada se mueve”, y contó con la exposición de los doctores en física –e investigadores del Conicet– Victoria Bekeris de Casals y Hernán Ferrari del Laboratorio de Bajas Temperaturas del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA que combinaron explicaciones con experimentos y transformaron el café en un improvisado laboratorio.
El próximo encuentro de Café Científico (como siempre, organizado por el Planetario de la Ciudad) será el martes 20 de julio a las 18.30, en el mismo lugar. Estará dedicado a la meteorología y su título es “¿Se puede confiar en los pronósticos?: Los caprichos del tiempo”; como siempre la entrada es libre y gratuita.

LA ENERGIA DEL SILENCIO
Victoria Bekeris: –Entender qué es la temperatura no es nada trivial. Hay distintas maneras de definirla. Una de las formas más sencillas es concebirla como algo que mide la energía cinética de un sistema, es decir, el movimiento de las cosas. Cuando intuitivamente sentimos que algo tiene mayor temperatura es porque las partículas que conforman ese algo están excitadas y moviéndose a velocidades –en promedio– más altas que las partículas de una sustancia que está fría. En un gas, por ejemplo, los componentes que lo forman se mueven a una cierta velocidad y la temperatura del gas dependerá de esa velocidad que tengan las moléculas. Las partículas de un sólido, en cambio, no pueden moverse con tanta libertad sino que fluctúan alrededor de sus posiciones de equilibrio. Los átomos que conforman ese sólido están siempre oscilando y más oscilarán cuanto mayor sea la temperatura de esa sustancia. ¿Qué pasa con el aire de este salón? ¿A qué velocidad se están moviendo las partículas? Sabemos que esta habitación está llena de moléculas de oxígeno, de nitrógeno, de anhídrido carbónico y de otros gases. Si el aire de este lugar estuviera a 27ºC, las moléculas de oxígeno se moverían a 2000 kilómetros por hora. Al enfriar el oxígeno, la velocidad se va a ir reduciendo. Pero ocurre que hay una temperatura a partir de la cual si sigo enfriando, nada se mueve: ése es el cero absoluto, cuando todo se detiene porque quité completamente la energía del sistema. En realidad, es un poco más complejo: la mecánica cuántica no permite que las cosas estén en reposo y existe lo que se llama una “energía de punto cero”. La pregunta sería: ¿Se puede acceder al cero absoluto? Hasta ahora nadie lo hizo. Lo que se intenta es acercarse lo más posible, pero teóricamente no es factible acceder al cero, al estado de movimiento nulo, porque no hay ningún sistema que esté lo suficientemente aislado del entorno (hay una ley de la termodinámica que dice que cuando la temperatura se va a cero, cualquier perturbación mínima es suficiente energía para levantar un poco esa temperatura). No se puede tener un sistema aislado perfectamente al que no le llegue nada del entorno, porque basta con que haya un poco de luz (energía) para que el sistema se excite y salga del cero.
La imagen intuitiva que yo tengo cuando enfrío algo es que empiezo a hacer silencio. Las partículas van cada vez más lentas y se pueden observar interacciones que no se verían en otras condiciones. Por eso es tan interesante hacer física a muy bajas temperaturas. Hay distintas maneras de medir temperaturas. En la escala a la que estamos acostumbrados (Celsius) el agua hierve a 100 grados, se congela a 0 y el cero absoluto está a -273ºC. Pero puedo usar otra escala, llamada Kelvin, que nos resulta más cómoda y es la que se utiliza en el laboratorio cotidianamente. En ella se hace coincidir al grado cero de la escala con el cero absoluto, así el agua se congela a 273 grados y hierve a 373.

UN LICUADO BIEN FRIO
Victoria Bekeris (continúa): –¿Cómo se enfría algo? Cotidianamente, por ejemplo, enfriamos con un ventilador. Lo que hace el ventilador es largar aire que choca con las moléculas que tienen mayor movimiento, las saca, uno se queda con las moléculas de menos energía que tenemos sobre la piel y tenemos la sensación de que la temperatura bajó. Eso es una forma de evaporar: se saca lo que tiene más energía del sistema y queda un sistema más frío. Una forma un poco más compleja de enfriar es la de las heladeras en las que hay que hacer un ciclo termodinámico y uno logra llegar a temperaturas por debajo del punto de congelamiento del agua. Pero esto es todavía muy caliente para los que hacemos física a bajas temperaturas. Una manera de lograr fríos mayores es licuar gases especiales. Si licuo aire, voy a conseguir -190ºC. Si licuo otros gases puedo obtener temperaturas más bajas, cercanas a los -270ºC. Para enfriar más hay otros dispositivos, como el refrigerador de dilución con el que se llega a una décima de grado por encima del cero absoluto. El record de enfriamiento es de una billonésima parte de grado Kelvin por encima del cero absoluto y se llega a esa temperatura mediante un bombardeo con rayos láser.

TODOS PARA UNO...
Victoria Bekeris (continúa): –El investigador holandés Kammerling Onnes (1853-1926), que fue un genio de la física experimental, descubrió en 1908 cómo licuar el gas helio y llegar a -270 ºC. Un alumno suyo puso a medir mercurio puro (que es un metal) y llegó a una temperatura llamada “crítica” en la que la resistencia cayó de golpe a cero. Es decir que por debajo de una temperatura dada se pasa al estado superconductor: había descubierto la superconductividad. Recién en 1957, los físicos John Bardeen (1908-1991), Leon Cooper y John Schreiffer entendieron de qué se trataba este fenómeno tan extraño y recibieron el Premio Nobel: un electrón (que tiene carga negativa) mueve a los átomos, que a su vez se juntan de modo que parecería que hubiera más carga positiva. Luego otro electrón se ve atraído a ese lugar y terminan estando estos dos electrones en pares. Las cargas ya no son solas, sino que forman pares y conducen superfluidamente la electricidad. Hubo muchos descubrimientos posteriores. Los físicos suizos Alex Müller y Georg Bednorz realizaron en 1986 un enorme hallazgo: encontraron un compuesto que era superconductor a temperaturas mucho más altas de lo que decía la teoría. La temperatura crítica es cuánto hay que enfriar algo para que se vuelva superconductor.
La superconductividad fue uno de los grandes descubrimientos del siglo XX. Se trata de un fenómeno colectivo que ocurre en un material cuando las partículas que lo conforman entran en un estado en el que todas hacen lo mismo. No cualquier material puede lograr convertirse en superconductor. Para lograrlo, el procedimiento es enfriar el material, “hacer silencio”, dejar que los electrones interactúen y así se produce este fenómeno que es colectivo en serio: si uno cuenta el número de átomos que hay en la cabeza de un alfiler, es igual a la cantidad de naranjas que llenarían un estadio de fútbol. El número de partículas involucradas es enorme: un 1 con 23 ceros atrás.
En un cable de cobre, de los que se usan habitualmente cuando uno enchufa algo, los átomos se mueven a lo largo del metal y ésa es lacorriente eléctrica; es carga que se mueve. Pero para que se desplace yo tengo que enchufarlo o ponerle una pila, porque cuando se trasladan, los electrones chocan y les cuesta moverse adentro del material. En cuanto desenchufo, la corriente rápidamente muere. En un superconductor, la electricidad circula de una manera muy extraña: no tiene resistencia. Entonces yo puedo poner a circular la corriente, desconectar de la fuente y la energía persistirá para siempre. Hay laboratorios donde ya tienen andando desde hace más de tres años una espira con corriente que circula sin que se haya degradado y sin estar conectada a nada. Por tener resistencia nula, la superconductividad tiene una gran cantidad de aplicaciones. El campo magnético también se porta muy raro en un superconductor.
Las aplicaciones son muchísimas: médicas, electrónicas, industriales, de transporte. Por ejemplo, desde hace ya más de diez años se usa la levitación magnética para el transporte. Se necesitan imanes muy intensos. Adentro del tren hay bobinas superconductoras que crean campos intensos y en la vía hay bobinas de las comunes. Esto se maneja todo desde una consola y por fuerzas electromagnéticas se levita el tren, se lo propele y se lo detiene. La velocidad que desarrolla es de 500 km/h. Otra aplicación consistiría en alimentar a las ciudades con cables superconductores; es todo un desafío sobre el cual ya hay prototipos. Si tuviéramos que traer la energía desde El Chocón hasta Buenos Aires nos ahorraríamos más de un 15 por ciento si usáramos cables superconductores, dado que no pierden energía. En medicina, se usa la superconductividad para realizar magneto-encefalogramas, que son capaces de detectar el campo magnético muy sensible. Este tipo de encefalogramas ya se está usando en Finlandia.

LUZ, CAMARA... ¡SUPERCONDUCTIVIDAD!
Luego de la explicación de la doctora Bekeris, el doctor Hernán Ferrari desplegó sobre la mesa del café un manojo de globos de distintos colores, tres potes de helado y un termo blanco del tamaño de una garrafa. Lo que siguió fue un show que mantuvo a los espectadores hipnotizados durante media hora.
Hernán Ferrari: –La idea es mostrar qué es lo que pasa con algunos gases cuando los enfriamos a bajas temperaturas (alrededor de -200 ºC). Vamos a ver qué sucede cuando las moléculas de distintas sustancias se enfrían y se “hace silencio”. Del modo en que para mantener la temperatura del agua para mate usamos un termo, lo mismo hacemos nosotros con el líquido que tenemos dentro de este termo, que parece agua. Es el nitrógeno del aire, enfriado a -200ºC. Así como cuando ponemos agua en la heladera y la enfriamos por debajo de cero grados se convierte en hielo, con el aire que respiramos ocurre una cosa similar: si reducimos su temperatura a -200ºC se va a transformar en líquido. Mientras que lo mantengamos dentro del termo, allí tendremos aire líquido -200ºC. A temperatura ambiente, este globo desinflado tiene propiedades elásticas. Lo sumerjo en el líquido y lo que ocurre es que pierde las propiedades elásticas y adquiere otras: se rigidiza y se rompe fácilmente. Ahora voy a tratar de enfriar cuatro gases para ver qué sucede con cada uno de ellos. En este globo tengo helio y una de las propiedades de este gas es que, al ser menos denso que el aire, tiende a elevarse. Veamos qué pasa cuando lo enfriamos a -200ºC. Hay una ley que dice que si se reduce la temperatura de un gas ideal desde los 300 grados Kelvin hasta los 100 grados Kelvin, su volumen también se va a reducir 3 veces. Eso es lo que vamos a observar ahora: al enfriarlo, el gas ya no ocupa el volumen que ocupaba antes. Parece que el globo se desinflara, pero sigue allí. Lo que ocurre es que al enfriarse, el gas ocupa un volumen más chico. Aunque parezca que el globo se desinfló un poco, tenemos la misma cantidad de gas que antes de enfriarlo, pero el gas ocupa un volumen menor por el descenso de temperatura. Por lo tanto, sudensidad será mayor (dado que la densidad es igual a masa sobre volumen) y el globo ya no flota más en el aire. En cuanto se empieza a calentar, vuelve a aumentar su volumen y el globo flota otra vez.
Veamos ahora qué pasa con estos otros globos, llenos con otro gas llamado argón. Igual que hicimos con el otro globo, le voy a echar nitrógeno líquido para enfriarlo: los cambios con respecto al helio son notables. El globo queda prácticamente como un papel. Aunque no lo parezca, el argón sigue estando ahí adentro, pero ocupa un volumen mínimo porque al enfriarse se licuó: pasó del estado gaseoso al líquido. Si dejamos de enfriarlo, recupera la temperatura, vuelve al estado gaseoso y ocupa el volumen que tenía al comienzo, de modo que el globo queda inflado como antes. La mayoría de los gases, cuando pasan al estado líquido, ocupan 700 veces menos volumen que cuando permanecen en estado gaseoso.
Haremos el mismo experimento con un globo lleno de nitrógeno. Al echarle nitrógeno líquido a un globo lleno con nitrógeno gaseoso, el volumen se reduce (porque enfriamos el gas), pero no llega a licuarse el nitrógeno del interior del globo. Ocurre lo mismo que si quisiera hervir agua usando agua hirviendo. Eso es imposible, tal como podemos comprobar al calentar algo a “baño María”: el agua de la olla más grande hervirá, pero la de la cacerola pequeña no, por más que dejemos el fuego encendido durante horas. Lo que voy a hacer ahora es soplar aire en un globo. El aire tiene aproximadamente 80 por ciento de nitrógeno y si tengo nitrógeno (ya vimos que es imposible licuar nitrógeno en estado gaseoso con el mismo gas en estado líquido), al echar nitrógeno líquido sobre este globo lleno de aire, suponemos que el oxígeno sí se va a hacer líquido como el argón, mientras que el nitrógeno quedará comprimido pero en estado gaseoso. Al rociar el globo con nitrógeno líquido, vemos para nuestra sorpresa que así como pasaba con el argón, el volumen que ocupa el aire dentro del globo es prácticamente cero, como si fuera un papel. ¿Qué es lo que sucedió? ¿Cómo se explica que, contra lo que podríamos pensar, el nitrógeno también se haya licuado? Cuando ponemos un poco de sal en el agua de una cacerola, el líquido ya no hierve a 100ºC sino un poco por arriba. Lo mismo sucede cuando tenemos una mezcla de gases como el nitrógeno y el oxígeno: el nitrógeno puro no se va a hacer líquido a 200 grados bajo cero, pero sí se licuará al estar mezclado con oxígeno.
La última demostración, como un bonus track, está asociada al sonido. Cuando estamos en nuestro ambiente natural podemos movernos sin ninguna dificultad. Sin embargo, cuando intentamos caminar en una pileta o en el mar nos cuesta más porque el agua es más densa que el aire. ¿Qué pasará con las cuerdas vocales cuando en vez de vibrar en el aire que estoy respirando lo hicieran en un medio menos denso como es el helio? Voy a vaciar este globo en mi boca y, como pueden escuchar, la voz sale totalmente deformada. Éste es un experimento que no deben hacer ustedes en sus casas porque, si bien el helio no es tóxico, al inhalarlo dejo de enviar oxígeno al cerebro y eso sí puede ser muy peligroso. Puede fallar.