Un equipo de investigación ha logrado algo que a primera vista parece imposible: hacer que una diminuta esfera de sílice de menos de cinco micras (millonésimas de metro) trabaje como una máquina térmica a una temperatura efectiva comparable a la del núcleo del Sol, diez millones de kelvin, mientras la partícula y todo su entorno permanecen fríos, a temperatura ambiente. Sí, has leído bien.
La esfera se mantiene suspendida en el vacío gracias a una trampa de Paul, un sistema de campos eléctricos alternos que la inmoviliza sin contacto mecánico. Para convertirla en una máquina térmica, los investigadores añaden ruido eléctrico cuidadosamente calibrado a uno de los electrodos. Ese ruido fuerza a la partícula a moverse con una intensidad tal que, si fuera movimiento térmico real, correspondería a millones de grados. Sin embargo, no es la temperatura tal y como la concebimos habitualmente sino la llamada temperatura efectiva: simplemente la forma en que se cuantifica la intensidad media de esas fluctuaciones inducidas.
Al mismo tiempo que se mantiene suspendida y vibrando los científicos desplazan la partícula lentamente de la posición de equilibrio de la trampa, como quien desplaza la carga de un pistón. La partícula, agitada por el baño caliente artificial, está extrayendo energía de las fluctuaciones del ruido, mientras realiza trabajo mecánico contra el desplazamiento en la trampa y luego disipa parte de esa energía al entorno frío real, formado por el gas residual y la fricción viscosa. De esta manera se completa un ciclo termodinámico estocástico en una única partícula.
Los resultados son tan precisos como sorprendentes. En intervalos muy cortos la eficiencia instantánea puede superar el 100 %, es decir, la partícula entrega más trabajo del que recibe en forma de fluctuaciones del voltaje. Esto no viola ninguna ley física: son eventos raros que se compensan con otros en los que la máquina funciona al revés, y cuando se promedia durante mucho tiempo la eficiencia queda estrictamente por debajo del límite teórico permitido.
Otro fenómeno observado es que, al aumentar la intensidad del ruido (lo que equivaldría a subir la temperatura del foco caliente), la potencia media de la máquina a veces disminuye en lugar de aumentar, un comportamiento contraintuitivo ya predicho por la teoría pero ahora medido con claridad.
El avance es importante por varias razones. Primero, demuestra experimentalmente que los conceptos de transferencia de calor, trabajo y eficiencia tienen sentido incluso para sistemas formados por una sola partícula. Segundo, permite explorar regímenes de temperatura efectiva que serían inaccesibles con calentamiento real, porque cualquier material se destruiría mucho antes. Y tercero, ofrece una plataforma limpia y controlable para comprobar las predicciones de la termodinámica estocástica, la rama de la física que describe cómo funcionan las leyes del flujo de calor cuando las fluctuaciones dominan sobre los promedios.
Referencias:
M. Message et al (2025) Extreme-Temperature Single-Particle Heat Engine Phys. Rev. Lett. doi: 10.1103/2g1j-6×95
Tomé lópez, C. (2017) La dinámica del calor Cuaderno de Cultura Científica
Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance
