Los fsicos han tratado siempre de ensanchar los lmites de los parmetros accesibles a sus experimentos

Figura 1. La etapa principal de desimanacin nuclear del refrigerador de Bayreuth, est formada por 17 kg de cobre muy puro y bien recocido los 6,8 kg de cobre de la parte inferior han sido desimanados con un campo magntico de 8 teslas. Las muestras experimentales y los termmetros estn montados en los distintos orificios practicados en lo alto de la etapa. El campo los ha desimanado a 15 microkelvins y la temperatura en el centro de la parte desimanada de la etapa es de unos 5 microkelvins. La etapa ha sufrido una electroerosin destinada a reducir el aporte de calor debido a las corrientes inducidas que aparecen durante la desimanacin. Su longitud es de 525 mm y su dimetro en el centro de 78 mm.Los fsicos han tratado siempre de ensanchar los lmites de los parmetros accesibles a sus experimentos. Estas hazaas de la ciencia poseen numerosas aplicaciones, particularmente en lo tocante al vaco, a las altas presiones, a los campos elctricos y magnticos intensos y a las altas temperaturas. Adems de los extraordinarios progresos realizados en la deteccin de las ondas electromagnticas o de las partculas elementales. Pero los descubrimientos de los ingenieros y los investigadores resultan muy modestos comparados con las proezas de la naturaleza. No obstante, hay un rcord de laboratorio sin equivalente en el Universo: hemos conseguido producir unas temperaturas muy inferiores a la ms baja temperatura natural: 3 Kelvin, es decir, tres grados por encima del cero absoluto, igual a -273,15C. Este calor residual fue emitido durante el Big Bang en forma de una radiacin que ha sobrevivido hasta hoy.

Hace poco hemos conseguido alcanzar prcticamente el microkelvin, una temperatura cerca de un milln de veces menor que este fro csmico. Pese a su inexistencia en la naturaleza, este fro extremo es rico en enseanzas. Los fsicos han descubierto que por debajo de los 3 Kelvin determinados metales se vuelven superconductores: su resistencia elctrica se anula. Por debajo de 2,17 Kelvin, el helio lquido pierde toda viscosidad y se vuelve superfluido. Estos fenmenos macroscpicos estn basados en los principios de la mecnica cuntica. Se trata de unos efectos que habitualmente quedan destruidos por la agitacin trmica. Por medio de una reduccin progresiva de este desorden trmico, es decir, de la temperatura, los fsicos han descubierto toda una serie de propiedades inesperadas, en particular la existencia de un ordenamiento espontneo de los momentos magnticos, o espines, de los ncleos atmicos a temperaturas inferiores al milikelvin (e incluso al microkelvin en el caso de los ncleos de cobre). Para sondear la materia a bajas temperaturas, los investigadores han reducido la temperatura mnima en cerca de siete rdenes de magnitud: de 100 Kelvin a doce millonsimas de Kelvin hace unos meses.Cmo lo han conseguido?

El mtodo clsico de refrigeracin consiste en comprimir un gas, dejar que se dilate y licuarlo. En 1908, procediendo as con el helio, el nico elemento del que entonces no se conoca ms que la fase gaseosa, el fsico holands Heike Kamerlingh-Onnes descubri el helio lquido a 4,2 Kelvin. En 1926, logr 0,7 Kelvin aspirando dicho lquido: lo mismo que el alcohol en la palma de la mano, el helio lquido se enfra al evaporarse. Al aspirarlo se extraen sus tomos ms energticos y la sustancia se vuelve ms fra. Era la primera vez que se iba ms all de la temperatura mnima de la naturaleza. Los fsicos de bajas temperaturas consideran a Kammerlingh-Onnes el fundador de su disciplina. El mismo ao, K. Debye y W.E Giaugue propusieron un mtodo de enfriamiento, llamado desimanacin adiabtica electrnica, mediante el cual se lleg a 0,25 Kelvin en 1933, a 0,085 en 1934 y a 0,002 en 1953.

En los aos 1960 se invent otro procedimiento, la refrigeracin por dilucin 3He-4He. Consiste en que, a baja temperatura, el istopo 3He slo se disuelve hasta el 6% en el istopo 4He. Ms all de esta proporcin, se separan dos fases, una rica y la otra pobre en 3He. En vez de enfriar un lquido puro obligando a sus tomos a pasar a la fase gaseosa, se enfra la mezcla 3He-4He obligando a los tomos de 3He a pasar de la fase rica a la fase pobre. Anlogamente a lo que ocurre en un refrigerador domstico, al circular el fluido se produce un fro estable hasta el milikelvin.

Este mtodo de enfriamiento sigue utilizndose para acceder a temperaturas del orden del milikelvin. Hay otra tcnica, llamada enfriamiento de Pomeranchuk, que consiste en comprimir helio 3 lquido para solidificarlo con absorcin de calor. Pero se ha abandonado porque hay soluciones mejores. Ninguno de estos procedimientos permite bajar ms all del milikelvin. En 1934, C. J. Gorter , N. Kurti y A. Simon idearon una nueva tcnica de enfriamiento magntico: la desimanacin adiabtica nuclear, base de todas las plusmarcas de temperatura de estos ltimos tiempos.

Para comprender la naturaleza de los dos mtodos de enfriamiento por desimanacin adiabtica (electrnica o nuclear) hay que recordar que la temperatura de un sistema es una medida de su desorden. Los espines magnticos de los ncleos o de los electrones de un cuerpo dado constituyen un ejrcito de imanes elementales. A temperatura ordinaria, estos espines se agitan en todas direcciones de un modo aleatorio. A una temperatura extraordinariamente baja, estos espines, incluso los nucleares, se alinean o polarizan espontneamente: son los fenmenos del ferromagnetismo o del antiferromagnetismo nuclear, que generalmente no aparecen hasta unas temperaturas del orden del micro o del nanokelvin. Existe otro caso en donde los espines se polarizan a unas temperaturas ms accesibles, del orden de unos milikelvins: un fuerte campo magntico tiende a alinear los espines paralelamente a s mismo. Si luego aislamos de todo contacto exterior la muestra polarizada y anulando lentamente el campo magntico, esta muestra evolucionar hacia un estado de equilibrio sin recibir energa. Los espines tienden a recuperar su desorden inicial pero para ello les hace falta energa; como no pueden obtenerla del exterior del sistema, la toman de la agitacin trmica. En resumen, la desimanacin adiabtica consiste en transferir a los espines la energa de la agitacin trmica desordenada tras haber aplicado un campo magntico (fig. 3). De acuerdo con los resultados, la desimanacin nuclear es mucho ms eficaz que la desimanacin electrnica. Por qu?

Los momentos magnticos nucleares son unas mil veces ms dbiles que los momentos magnticos electrnicos, en consecuencia, su polarizacin por medio de un campo magntico suele tener lugar a temperaturas mucho ms bajas, ms difciles de alcanzar. sta es la razn por la cual no se realiz el primer experimento de enfriamiento nuclear hasta 1956. y no se desarroll el correspondiente mtodo de refrigeracin hasta 1970. Se prefiere esta tcnica a la de desimanacin electrnica porque en el ltimo caso la temperatura alcanzada no es tan baja. Una vez anulado el campo magntico, ya no ocurre nada: los espines electrnicos interaccionan y siguen ordenndose; la temperatura deja de bajar. As pues, la desimanacin nuclear es ms eficaz. Pero en ella hay que realizar un enfriamiento previo por medio del contacto del material con una sustancia ms fra, por ejemplo, un fluido criognico como el helio lquido. Para conseguir la polarizacin nuclear y la reduccin de entropa o de desorden magntico necesarios para una buena refrigeracin nuclear hacen falta unos campos magnticos muy intensos, del orden de 10 teslas, y unas temperaturas iniciales del orden de 10 milikelvin. As lo apreci todo el mundo en el primer experimento de enfriamiento nuclear, realizado en 1956 por N. Kurti y colaboradores.

Partiendo de 3 teslas y de 12 milikelvins, enfriaron ncleos -se suele decir ncleo en vez de momento magntico nuclear- de cobre hasta cerca de un microkelvin, pero los electrones y la red de cobre se mantuvieron a 12 milikelvin y los ncleos recuperaron en pocos minutos su temperatura inicial. La reduccin de entropa no se haba transferido del ncleo al resto del sistema. En realidad, y al menos por ahora, las dificultades de la refrigeracin nuclear no estriban en el enfriamiento o la polarizacin de los ncleos, sino en la transferencia, de la temperatura ultrabaja de los ncleos a los electrones y a la red del refrigerante y, sobre todo, de sta a los termmetros y a la muestra en estudio. Adems de la necesidad de mantener esta temperatura muy baja el tiempo suficiente para realizar medidas que a veces son largas y delicadas.

Hay otro problema fundamental para el fsico de bajas temperaturas. El menor aporte de calor, aunque slo sea por ondas de radio, crea diferencias de temperatura importantes entre las diversas partes del sistema. Ni siquiera los metales extremadamente puros conducen lo bastante bien el calor como para evacuarlo rpida y uniformemente: ciertas partes del dispositivo como, por ejemplo el termmetro y las muestras, tienen que estar unidas por muy buenos conductores trmicos (metales muy puros como plata o cobre). Adems, hay que evitar las fugas trmicas procedentes de las partes ms calientes del aparato.

En estos refrigeradores, basta un aporte del calor al termmetro de 10-13 watios para falsear sensiblemente las medidas de temperatura. Para asegurarse que las muestras metlicas y los termmetros se enfran a 20 microkelvin, hay que mantener a 5 microkelvin la regin del refrigerante en donde se efecta la desimanacin nuclear. Supongamos que la fuga total sea de 10-9 W, es muy poco: pinsese que un simple reloj de cuarzo requiere una potencia unas cinco mil veces mayor. Pese a todas estas limitaciones, los fsicos han logrado construir unos refrigeradores muy eficaces asociando a la desimanacin adiabtica nuclear una buena tcnica de preenfriamiento.

Los refrigeradores nucleares de tipo Helsinki

La etapa clave fue la creacin del refrigerador de dilucin 3He-4He, que asegura un preenfriamiento continuo, y de imanes superconductores, que polarizan los ncleos. A principios de los aos 1970, un grupo de Helsinki logr combinar estas dos tcnicas.

La parte ms fra de un refrigerador nuclear moderno consta generalmente de 1 kg de cobre en forma de hilos o barras aisladas: se evitan as las aportaciones de calor por las corrientes inducidas durante la desimanacin (fig. 4A). La parte baja de estos hilos o barras est introducida en un solenoide superconductor. Los hilos o barras tienen que ser lo bastante largos para enfriar los termmetros y las muestras situados fuera del solenoide porque en general el experimento no tiene que quedar afectado por el campo magntico variable necesario para la refrigeracin. Una vez la intensidad del campo magntico alcanza el valor de 8 teslas, el cobre es preenfriado hasta unos 15 milikelvins, por el refrigerador de dilucin 3 He-4 He.

El contacto trmico entre la etapa de refrigeracin nuclear de cobre y el refrigerador de dilucin queda asegurado por un metal superconductor, por ejemplo aluminio, que hace de interruptor de calor. En el estado superconductor, prcticamente no transporta el calor. Pero si el metal es devuelto a su estado normal por un pequeo campo magntico, su conductividad trmica se vuelve tan importante como la de cualquier otro metal, por ejemplo el cobre. Cuando concluye el preenfriamiento por el refrigerador de dilucin, se hace que el interruptor de calor se vuelva superconductor con objeto de aislar la etapa de refrigeracin nuclear. Entonces ya puede dar comienzo la desimanacin adiabtica de los ncleos de cobre, que prosigue lentamente para minimizar el calentamiento de los bucles de corriente inducida en el cobre y mantener el equilibrio trmico entre los ncleos y los electrones. Si la desimanacin es perfectamente adiabtica, es decir, se efecta sin prdidas, el desorden magntico de los espines de los ncleos de cobre se mantiene constante y la temperatura disminuye proporcionalmente al campo. Por ltimo, el cobre, una vez enfriado, enfra a su vez las muestras por simple conductividad trmica. Desde los aos 1970 han sido construidos ms de doce refrigeradores nucleares como el descrito, llamados de tipo Helsinki, fundamentalmente para enfriar el helio 3 lquido y estudiar sus distintas fases superfluidas. Pero al principio los refrigeradores de dilucin no eran lo bastante potentes para enfriar el cobre bajo campo magntico, porque hay que llegar a los 10 milikelvins desde la fase de preenfriamiento para que la polarizacin de los espines sea eficaz. Con el refrigerante referido (cobre expuesto a un campo magntico de 8 teslas) estos refrigerantes de dilucin slo llegaban a los 15 milikelvins y el desorden de orientacin de los espines slo se reduca al principio en un 4%; a 10 milikelvins la reduccin es cuatro o cinco veces mayor. Hay otras razones que han llevado a disear nuevos tipos de refrigeradores. De una parte, no se tena un buen conocimiento de los materiales en el dominio del milikelvin; de otra, los problemas de contacto trmico y el desprendimiento de calor de diversos materiales a muy baja temperatura limitaban a algunos centenares de microkelvins la temperatura mnima de estas mquinas y a una jornada su perodo de estabilidad por debajo del milikelvin. Por ltimo, los cientficos necesitaban unas temperaturas ms bajas y unos tiempos de estabilidad ms largos para realizar ciertos experimentos importantes, particularmente para estudiar el orden magntico nuclear.

Los refrigeradores PrNi5-Cu de Jlich y Tokyo

Indudablemente, se poda mejorar la eficacia de un refrigerador nuclear aumentando la polarizacin inicial de los espines. Para ello hay que reducir la temperatura o aumentar el campo magntico al iniciarse la desimanacin. Por desgracia, es muy difcil y oneroso aumentar el campo magntico por encima de las 8 teslas que se obtienen fcilmente con un imn superconductor. Hemos observado, adems que estos primeros refrigeradores de dilucin polarizan mucho ms lentamente los espines por debajo de 15 milikelvins.

En el centro de investigaciones de Jlich, de la Repblica federal de Alemania (RFA), aadimos una segunda etapa de refrigeracin magntica nuclear entre el refrigerador de dilucin helio 3-helio 4 de preenfriamiento y la ltima etapa de refrigeracin nuclear de cobre (fig. 4B). (5) Esta etapa intermedia sirve para preenfriar la etapa de cobre imanado. Adems, est formada por un material, el PrNi5 que sigue siendo operacional a unas temperaturas relativamente altas, superiores a 5 milikelvins, lo cual le permite absorber la gran cantidad de calor magntico nuclear evacuada por la segunda etapa nuclear de cobre imanado. En presencia de un campo magntico exterior, los ncleos de praseodimio estn sometidos a un campo interno doce veces mayor que el campo aplicado, lo que aumenta considerablemente la polarizacin nuclear.

Siendo el PrNi5, un excelente refrigerante de los ncleos por qu conservar el cobre? En realidad, el PrNi5 es incapaz de producir por s mismo unas temperaturas inferiores a 0,2 milikelvin porque los ncleos de praseodimio se polarizan espontneamente hacia 0,4 milikelvin: es imposible bajar ms por desimanacin.(5) Con el cobre, afortunadamente, la polarizacin espontnea de los ncleos se produce a unas temperaturas mucho ms bajas, a unos 0,06 microkelvin. As pues, un refrigerador de dos etapas saca partido de las ventajas combinadas de ambos materiales: la gran capacidad de enfriamiento nuclear del PrNi5, en el dominio del milikelvin, en la primera etapa, permite preenfriar la segunda etapa formada por el cobre, cuyos ncleos se polarizan a muy baja temperatura. Este preenfriamiento en dos etapas permite llegar a 5 milikelvin (en vez de 15 con un refrigerador de dilucin). Ello permite reducir la temperatura final e incrementar considerablemente la cantidad de calor que puede absorber el cobre despus de haber sido desimanado.

Una vez terminada la desimanacin, hace falta esperar, cuatro das, antes de que los termmetros indiquen una temperatura estable en un experimento corriente, las muestras estn a 41 microkelvin (fig. 5). Pueden mantenerse por debajo de 50 microkelvin durante diez das, y as se dispone de tiempo suficiente para llevar a cabo los experimentos. En el centro del cobre desimanado, los ncleos estn a 5 microkelvin; sus electrones, en el centro de la etapa, a no mucho ms de 7 microkelvins. Por qu la muestra, situada en el extremo superior de la etapa de cobre, est hasta tal punto ms caliente (41 microkelvins) que el centro de la etapa? Debido a una fuga de calor que sin embargo slo es de 0,2 nanowatios.

En la regin no sometida al campo, donde se instalan los termmetros y se realizan los experimentos, conseguimos llegar a 38 microkelvins. En 1983, en la universidad de Tokyo se logr bajar hasta 27 microkelvins con un dispositivo del mismo tipo pero mayor. Tambin hemos tenido que reducir los aportes de calor que pueden causar importantes diferencias de temperatura entre el refrigerante, las muestras y los termmetros, y limitar el tiempo durante el cual el aparato se mantiene fro.

El xito ha sido espectacular en lo tocante a fugas de calor de procedencia evidente: conduccin a travs de los soportes mecnicos, los interruptores de calor, las transmisiones elctricas, fugas por gases residuales, por radiacin o por calor inducido a partir de fuentes de radiofrecuencia. Actualmente, estas fugas se han reducido a 10 picowatios (10-11W). Estas fuentes de calor no son las nicas: hay que contar tambin con las vibraciones del propio dispositivo.

Figura 3. El enfriamiento magntico consiste en transformar el desorden trmico, en desorden magntico de los momentos magnticos de los ncleos atmicos. Cuando la temperatura es elevada, los tomos vibran con gran amplitud (representada por los crculos) y sus momentos magnticos (representados por flechas) estn orientados aleatoriamente(A). Enfriamos el material a 10 milikelvin con un refrigerador de dilucin 3He- 4He, y le aplicamos un campo magntico de 8 teslas, la amplitud de vibracin de los tomos disminuye (y consecuentemente la temperatura) y la orientacin de los momentos magnticos nucleares se vuelve ms regular (B). Esta orientacin relativa se conserva aun cuando se reduzca el campo magntico, por ejemplo a 8 militeslas (C). Luego, los momentos nucleares pierden parcialmente su orientacin porque extraen parte de la energa de los tomos, hasta que se alcanza el equilibrio termodinmico (D).

Hemos tenido que aislar completamente el aparato de las ondas de radio o incluso de las vibraciones debidas al paso de camiones en las calles prximas. Para ello, hemos instalado fuelles en todos los tubos de bombeo del refrigerador, y utilizado un soporte muy pesado, aislado del suelo por soportes muy blandos. El montaje muy rgido del refrigerador de Jlich ha contribuido a su xito.

Pero hay ms, despus de enfriarlos algunos materiales liberan calor durante varias semanas. Hay que mantener el refrigerador a baja temperatura durante cerca de un mes hasta que estas fugas de calor hayan disminuido suficientemente. Despus de cada calentamiento a temperatura ambiente, los depsitos de energa se recargan, y esa fuente de calor a baja temperatura renace de sus cenizas.

De dnde proceden estas ltimas fugas? descubrimos que en ciertos casos el propio cobre es una fuente intrnseca de calor a baja temperatura, demostramos que cantidades muy pequeas de hidrgeno, del orden de una parte por milln, precipitadas en burbujas en el cobre, liberan calor cuando la orientacin relativa de los espines nucleares de la molcula de hidrgeno cambia de estado. sta es probablemente la causa principal de las fugas de calor, que evolucionan lentamente en funcin del tiempo en muchos refrigeradores nucleares.

Afortunadamente, la mayor parte del hidrgeno desaparece cuando se realiza un recocido del metal a baja temperatura en vaco. Los materiales no metlicos, como las colas y los xidos, tienen ms posibilidades de almacenar energa; ya que conducen muy mal el calor, y tardan mucho en evacuarlo. Por desgracia, estos fenmenos pueden producirse tambin a muy baja temperatura en metales, como el cobre, casi perfectos y bastante puros. Estas fugas de calor se inician hacia 10-8 watios y se atenan despus de varias semanas hasta unos 10-10 watios. Comprendemos as mejor el origen y los mecanismos del irritante problema de las fuentes internas de calor que evolucionan a lo largo del tiempo.

El rcord de Bayreuth

Todos esos logros, a los que hay que aadir el perfeccionamiento de los refrigeradores de dilucin helio 3-helio 4, que permiten lograr una temperatura ms baja antes incluso de iniciarse la desimanacin nuclear, nos han animado a construir en Bayreuth un refrigerador nuclear de cobre de una sola etapa que debera de proporcionar unos resultados al menos tan buenos como los de los refrigeradores de dos etapas PrNi5-Cu de Jlich y Tokyo y a aadir una segunda etapa para alcanzar temperaturas todava ms bajas.

Figura 4. A diferencia del refrigerador clsico de desimanacin nuclear de una sola etapa (A), el refrigerador de Jlich tiene dos; la segunda est situada entre el refrigerador de dilucin 3He-4He y la etapa de cobre (B). Contiene PrNi5, que permite preenfriar la etapa de cobre imanada a una temperatura ms baja que la de los refrigeradores de dilucin y reducir la fuga de calor por conduccin trmica a travs del interruptor de calor superconductor y los soportes mecnicos.

Fugas de calor difciles de eliminar.

La primera etapa nuclear se compone de 17 kg de cobre, de los que 6,8 estn desimanados con un campo de 8 teslas y una temperatura de 10 milikelvins. Esta etapa de cobre ha enfriado un termmetro de resonancia magntica nuclear (RMN) de platino hasta 15 microkelvin en la zona experimental de campo dbil y lo ha mantenido a esta temperatura durante ms de dos das (un termmetro de esta clase calcula la temperatura midiendo el grado de polarizacin de los ncleos de platino), puede mantenerse durante una semana por debajo de 20 microkelvin. La primera etapa permite preenfriar la segunda etapa nuclear (130 g de cobre) hasta 3,5 milikelvins en un campo de 9 teslas. Tras haber desimanado esta etapa, medimos una temperatura externa de 12 microkelvins por medio de otro termmetro RMN de platino all fijado.

En este refrigerador utilizamos un cobre bien recocido de muy buena calidad. La fuga de calor de nuestra principal etapa de cobre indica que hay cien veces menos molculas de hidrgeno precipitadas en el cobre que en el refrigerador de Jlich. Elegimos minuciosamente los materiales de los soportes, los puentes trmicos y las transmisiones elctricas, evitando los que podan almacenar energa. Tambin los termmetros, tienen que estar perfectamente acoplados a la muestra.

Un anlisis en profundidad del refrigerador de Bayreuth hizo que nos fijramos en algunos fenmenos inesperados. Result que incluso el cobre de muy buena calidad, recocido primero al vaco y luego con oxgeno, contiene unos depsitos de energa que no son molculas de hidrgeno. Es muy probable que estos problemas sean debidos a imperfecciones de la red de tomos de cobre. Su comportamiento es prximo del de los vidrios, en los que la energa se disipa muy lentamente. De otra parte, el refrigerador llega a 15 microkelvins en la primera etapa y a 12 en la segunda, cuando un simple clculo pone de manifiesto que habra tenido que bajar ms all de 10. Las sospechas recaen tambin en los termmetros RMN de platino, cuyo comportamiento a estas temperaturas se desconoce. Estos trabajos han demostrado igualmente que la conductividad trmica de los metales utilizados no sigue a la conductividad elctrica, contrariamente a la ley de Wiedemann-Franz. Es un fenmeno notable que sigue pendiente de explicacin.

Figura 5. Con objeto de describir cmo vara la temperatura de la muestra durante el enfriamiento, hemos dividido la grfica en dos partes que corresponden a distintas escalas de temperatura y distintos tiempos. La parte de la izquierda muestra la disminucin de la temperatura, a partir de 3,8 milikelvins, en una muestra colocada en el refrigerador nuclear de dos etapas de Jlich. Mientras tanto, se hace disminuir exponencialmente de 8 teslas a 0,01 teslas durante diez horas el campo magntico al que est sometido el refrigerante de cobre. La parte de la derecha muestra la evolucin de la temperatura tras la desimanacin con una escala de temperaturas dilatada y una escala de tiempos contrada (cada unidad corresponde a un da). Hacen falta cuatro das para que el aparato alcance su temperatura mnima. Se mantuvo la muestra por debajo de 50 microkelvins durante diez das. El 5 de enero suministramos un nanowatio de calor a la muestra para acelerar su calentamiento.Los notables resultados de Heisinki y Lancaster

En Helsinki y Lancaster han sido construidos sendos refrigeradores nucleares muy eficaces con fines distintos. Los investigadores finlandeses tratan de enfriar al mximo y, por tanto, de polarizar al mximo los espines nucleares de cobre. Con una etapa nuclear de 630 g de cobre, estos cientficos preenfriaron una segunda etapa de 2 g de cobre a 7 teslas hasta unos 0,1 milikelvin. Una vez rpidamente desimanada esta ltima etapa, su temperatura mnima de espn nuclear baj a unos 0,03 microkelvin y los ncleos fueron mantenidos por debajo de 0,1 microkelvin durante quince minutos. Los investigadores observaron a 0,06 microkelvin un fenmeno notable: los momentos nucleares del cobre se disponen antiparalelamente dos a dos, de manera que la imanacin resultante es nula. Es el antiferromagnetismo nuclear del cobre.

Figura 6. Este sistema de doble clula ha sido diseado por los investigadores de la universidad de Lancaster con objeto de enfriar helio 3 lquido por desimanacin de laminillas (clula externa) y hojas (clula interna) de cobre sumergidas. La plata sinterizada que se deposita sobre las hojas de cobre, sirve para aumentar la superficie de intercambio de calor entre las hojas de cobre y el helio 3 lquido. La clula externa, por ltimo, sirve de proteccin trmica. Con este sistema, el grupo de Lancaster ha enfriado helio 3 lquido hasta 120 microkelvins.

El grupo de Lancaster, por su parte, se interesaba por el enfriamiento del helio 3 lquido y de las mezclas de helio 3 y helio 4 lquidos. Su mtodo de refrigeracin del helio lquido es muy eficaz ( fig. 6). En vez de montar en la etapa nuclear una clula-muestra llena de helio 3 lquido y de un metal sinterizado para asegurar el intercambio de calor, utilizaron como refrigerante nuclear el intercambiador de calor y las hojas de metal. Para aumentar la eficacia de este refrigerador, se rodea la clula-muestra con otra clula de cobre sinterizado llena de helio 3 que asegura la proteccin trmica. Con este sistema, G. Pickett, A.M. Gunault y sus colaboradores enfriaron helio 3 lquido hasta 120 microkelvins. Cuando modificaron su aparato para enfriar pequeas muestras metlicas, construyeron un refrigerador de cobre de tres etapas, cada una de las cuales estaba formada por una hoja de cobre de tan slo 5 gramos. Pese a lo pequeo de esta cantidad, consiguieron refrigerar hasta unos 13 microkelvins unos hilos de platino delgados destinados a la termometra RMN.

Hasta dnde se llegar?

Estoy seguro de que pronto franquearemos la barrera de los 10 microkelvins. Pero ya no es tan evidente que con las actuales tcnicas de desimanacin adiabtica nuclear consigamos ir mucho ms lejos. En 1981 ya expres reservas al respecto. El acceso a temperaturas del orden del microkelvin abre la posibilidad de detectar nuevos fenmenos y resolver gran nmero de problemas. Por ejemplo adquieren todos los metales un orden magntico o se vuelven superconductores cuando estn suficientemente fros y limpios? Se pueden hacer muchos experimentos apasionantes sobre el estado superfluido del helio 3 lquido y determinar si el helio 3 se vuelve superfluido cuando se diluye en helio 4 lquido: habra entonces dos sistemas distintos que se interpenetran.

Evidentemente, al entrar en un nuevo rgimen de temperaturas la termometra ser tan importante y difcil como la refrigeracin. En realidad, no existe ninguna escala de temperaturas establecida o internacionalmente reconocida para los milikelvins o los microkelvins. No obstante, todos los refrigeradores que hemos descrito hasta aqu recurren al mismo mtodo de termometra por RMN pulsada, que consiste en enviar impulsos de radiofrecuencia a unos hilos de platino de 25 micras de espesor. As pues, de acuerdo con los criterios de la termodinmica, las temperaturas indicadas parecen correctas dentro de un margen de error del 5%.

La desimanacin adiabtica de los momentos magnticos nucleares es el nico medio actualmente disponible para enfriar la materia a escala del microkelvin. Gracias al rpido desarrollo de esta tcnica en los ltimos veinte aos, los especialistas de la materia condensada llegaron a unas temperaturas de 1 milikelvin en 1970 y de 12 microkelvins en 1987. Antao, los principales avances en este campo haban sido obra de laboratorios europeos (Helsinki, Jlich, Lancaster y Bayreuth) y japoneses (Tokyo). Actualmente, Estados Unidos est desarrollando unos proyectos muy ambiciosos. En particular, se estn creando en las universidades de Cornell y Florida unos centros de servicio microkelvin muy bien equipados. Se est viendo a las claras que hay que realizar un gran esfuerzo para avanzar hacia el cero absoluto, porque cuanto menor es la temperatura ms complicados son los problemas experimentales. Quiz nos encontraremos con lmites naturales debidos a imperfecciones de los materiales o a fugas de calor provocadas por contaminacin radiactiva o por la radiacin csmica. De acuerdo con nuestras estimaciones, esta ltima contribuira por s sola a una tercera parte de la fuga total de calor de nuestro refrigerador de Bayreuth. En cualquier caso, cada progreso en esta bsqueda de las bajas temperaturas ha sido recompensado por descubrimientos fundamentales. Nos queda por saber cmo ser la fsica del microkelvin.

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