Láseres y electrónica cuántica

En el mundo desarrollado es muy fácil conseguir un trabajo en este sector. Uno está parado en un congreso leyendo un cartel y se acerca alguien a ofrecerle trabajo.

Por Leonardo Moledo

Oscar Martínez es doctor en Física de la Universidad de Buenos Aires, profesor titular de la Facultad de Ciencias Exactas e investigador principal del Conicet.
–¿Bueno, y qué es lo que hacen ustedes aquí?
–El laboratorio se llama “de electrónica cuántica”, y abarca láseres y aplicaciones de láseres, aunque ahora hemos derivado a nuevos tipos de microscopía, que también entran dentro de lo que se llama “electrónica cuántica”.
–¿Y qué es la electrónica cuántica?
–”Electrónica cuántica”. Sí, es un término ambiguo, que tiene que ver con la interacción de la luz con la materia. Yo creo que lo pusimos porque queda bien, es un poco pomposo y nadie entiende muy bien lo que quiere decir.
–¿Y qué es lo que quiere decir?
–Es un término acuñado por la ingeniería y está referido a la aparición del láser y al manejo de los láseres, en los que hay que utilizar la mecánica cuántica para tratar a la materia.
–Láser es una palabra que se usa mucho hoy, pero me pregunto si todos lo que la usan saben lo que significa.
–El láser es una herramienta importante, que tiene una gama de aplicaciones inmensa, pero esencialmente es luz. Luz con ciertas propiedades particulares, a saber: la que más se utiliza es el alto brillo de la fuente. Esto quiere decir que yo puedo irradiar algo con muy altas intensidades, con muy alta energía en zonas muy chicas. Es lo que intuitivamente uno llamaría “brillo”. Si uno mira directamente una lamparita eléctrica, lastima un poco. Si uno mira un puntero láser, daña el ojo, y un puntero láser tiene cien mil veces menos potencia que una lamparita. Como ve, hay cierta diferencia. Eso es el brillo. El brillo es lo que me permite fundir metales con un láser entre otras cosas.
–¿Y la segunda?
–La coherencia ya es más difícil, pero es la que permite la holografía, es decir la fotografía tridimensional, o las comunicaciones ópticas a muy alta velocidad. Cuando uno dice muy alta velocidad es 10 millones de millones de pulsos o bits por segundo.
–Bueno, pero no me dijo qué es la coherencia.
–Quizás la mejor manera es decir que el color está muy definido. Todo el haz oscila a la misma frecuencia y en fase. Lo curioso es que un láser se parece muchísimo a una onda de radio, y no se parece para nada a la luz que emite la lamparita, porque en la onda de radio hay fase... Es interesante, porque a pesar de la palabra (y la teoría) cuántica, el láser es lo menos cuántico y más clásico (en el sentido de la física clásica) en radiación electromagnética visible, es decir luz.
–No suena muy clásico.
–Pero fíjese que lo clásico es poder controlar la amplitud y la fase: eso es lo que permite las emisiones de radio. En cambio en una lamparita usted tiene un montón de átomos emitiendo al azar. Una corriente clásica que oscila emite radiación coherente, y eso vale en radio, microondas, o en rayos X.

El láser

–Hábleme un poco del láser.
–El láser fue predicho por Einstein en 1917, usando el segundo principio de la termodinámica, pero la tecnología para hacerlo reciénapareció mucho más tarde y fue lo que llevó en 1959 al desarrollo del máser y luego el láser. Y este instrumento novedoso permitió estudiar procesos físicos y químicos nuevos y desarrollar aparatos novedosos. Ninguno predicho en sus orígenes, desde ya.
–¿Por ejemplo cuáles?
–Ahora hablar de las aplicaciones del láser es como hablar de la electricidad. Sirve para todo, para la química, biología, medicina, informática. Piense en el mercado de la informática y en su expansión. Y en las comunicaciones, porque las comunicaciones son ópticas. Y todo el crecimiento de la tecnología de la información, que es un tercio del crecimiento del Producto Bruto de los EE.UU. está basada fundamentalmente en los láseres, o sea en la luz como vehículo de la información. La explosión ésta ha sido tan descomunal en los últimos años que se agotaron los graduados y las empresas están llevando a los estudiantes antes de que terminen su master, con sueldos de 80 a 100 mil dólares por año. En el último congreso de comunicaciones ópticas, hubo 17 mil participantes y el año anterior había habido 7 mil.
–Eso es crecimiento.
–Y una oferta de tres mil puestos de trabajo para gente con master o doctorado. En el mundo desarrollado es muy fácil conseguir un trabajo en este sector. Uno está parado en un congreso leyendo un cartel y se acerca alguien a ofrecerle trabajo.
–No está nada mal.

Sobran puestos de trabajo

–O sea que la situación actual nuestra es que están viniendo a la Argentina (y a otros lados) a buscar gente porque ya se agotó en el resto del mundo desarrollado.
–¿Y acá hay?
–Nuestros estudiantes no estudian esto sencillamente porque no saben que es un área importante. No existe como parte de la información de nuestros estudiantes de ingeniería y física saber que esto es de su incumbencia. De hecho, estamos en tratativas, para que las empresas que no puedan llevarse a la gente, vengan y pongan las cosas acá. Piense que la tasa de inversión en el área de óptica es de 700 por ciento por año. Algunas empresas hacen sus cálculos para ver si la distancia compensa: en una de ésas, si se instalan acá tienen una fuente de provisión de graduados de excelente calidad a los que no tienen que pagarles cien mil dólares por año.
–Seguramente, aquí con ochocientos dólares por mes...
–No, no tan poco, porque no podrían publicar. Dos mil por mes, diría yo. Por ese precio, tendrían graduados brillantes.
–Y coherentes.

La vida del laboratorio

–Cuénteme de su laboratorio.
–Nuestro laboratorio... Bueno, somos dos profesores, Mario Marconi y yo, y un montón de alumnos que van pasando. Esencialmente te-nemos dos líneas de trabajo. Uno, fenómenos ultrarrápidos, y la otra lo que llamamos nanoscopía, es decir microscopía a escalas muy muy chicas. Y fundamentalmente nuestro trabajo es desarrollar nuevos instrumentos capaces de medir lo que no se podía medir antes y tratar de aplicarlos a otras ciencias, otras disciplinas.
–Por ejemplo.
–Un pulso de luz muy corto, y eso significa más corto que una millonésima de millonésima de segundo permite concentrar energía en un tiempo muy reducido, haciendo que la potencia sea muy alta. Y cuando la potencia es muy alta, aparecen fenómenos nuevos, que se llaman de “ópticano lineal”, como por ejemplo conversión del color de la luz, la luz de un color se convierte en luz de otro color. La respuesta de un material ante la incidencia de la luz es que la nube electrónica se deforma ligeramente y a la misma frecuencia a la que estoy forzando, y eso produce los fenómenos de reflexión, refracción, bueno, los fenómenos ópticos que conocemos.
–¿Y aquí qué pasa?
–Aquí, bueno, es una respuesta no lineal. En cierta forma, los fenómenos corrientes de reflexión digamos, son fenómenos que uno podría llamar elásticos, la luz rebota contra un material como un resorte. Pero cuando me salgo del rango elástico pasa lo mismo que con un resorte. La respuesta de un resorte es proporcional al estiramiento, pero si lo estiro demasiado, y me salgo del rango elástico, la respuesta deja de ser lineal. Y aquí es lo mismo, la respuesta no es lineal. Estos mecanismos no lineales permiten, por ejemplo, nuevas microscopías de material biológico: puedo incidir sobre el material con una radiación que no lo daña y generar estos procesos no lineales, donde yo pongo una sonda, una molécula especialmente sensible y hago microscopía en tres dimensiones. Otra cosa interesante es estudiar cómo evoluciona el material en un tiempo muy corto.
–Un tiempo muy corto significa...
–Significa que yo puedo filmar una película a un millón de millones de cuadros por segundo (esto fue el Premio Nobel de Química del año pasado). Por ejemplo, para ver cómo se rompe una molécula. Uno manda un pulso que rompe la molécula, y un pulso más débil posterior va estudiando de qué manera se rompe la molécula paso por paso, ya que la molécula no se rompe de repente, toma esa energía (la del primer pulso), la va absorbiendo y se va rompiendo. El proceso de ruptura es un problema que la química no tenía resuelto.

Ver Atomos

–Otra aplicación es el área de nanoscopía. Estamos desarrollando un microscopio óptico con el cual esperamos lograr la meta de ver los átomos.
–Ya se vieron átomos.
–Sí, pero no con luz.
–Con electrones, con el microscopio electrónico.
–O con el microscopio de efecto túnel, que utiliza el efecto túnel cuántico, pero no con luz. Estamos implementando una modificación del microscopio de efecto túnel: es parecido, pero miramos con luz. Y cuando uno interactúa con luz, uno interactúa a nivel de las ligaduras químicas, es decir con los electrones que están en la parte más externa del átomo.
–¿Y con la electrónica?
–Con la electrónica uno actúa con todos los electrones. Pero entonces uno puede alterar esas uniones químicas y producir modificaciones a muy pequeña escala en los materiales. Algo de esto se hace con los microscopios de efecto túnel, pero esto requiere que el material sea conductor.
–¿Y con luz?
–Lograrlo con luz abriría la posibilidad de hacerlo con materiales no conductores. Y esto es parte del crecimiento de las nanotecnologías, que son fundamentales para el crecimiento de la economía global, que si no sigue creciendo al ritmo exponencial con que lo está haciendo ahora, colapsa.

Colapso de la tecnologIa actual

–¿Por qué colapsa?
–Porque todas las inversiones están basadas en un crecimiento continuo y hay un límite teórico muy preciso de cuándo las tecnologías actuales ya no van a poder dar respuesta.
–¿Pero cómo se puede predecir que las tecnologías no van a dar más? ¿No es predecir demasiado?
–No, porque usted puede hacer circuitos cada vez más chicos, pero llega un momento en que está en el rango de los tamaños atómicos, y allí se topa con una barrera que no puede atravesar. No puede hacer chips más chicos que un átomo.
–Con estas tecnologías.
–Por eso le decía que tienen un límite predicho, de diez, quince años más; para el 2015, más o menos. Y por eso es importante subirse a la locomotora de las nuevas tecnologías para llegar a ese momento con todas las ventajas. Lo que sí sabemos es que en muy poco tiempo más va a hacer falta un cambio cualitativo de las tecnologías, pasar a nuevas tecnologías, que no se sabe todavía cuáles son, aunque hay algunas propuestas.
–Cuéntemelas.

FuturologIa

–Por ejemplo, usar la química y la biología para almacenar y procesar. ¿Una computadora del futuro va a ser como un ser vivo o no?
–Bueno, ya hubo algunos intentos de computadoras biológicas.
–Otra cosa que ya se está implementando es el almacenamiento óptico tridimensional. O las redes neuronales, que son dispositivos que aprenden solos. O quizás ninguna de éstas, pero alguna otra.
–Eso es lo que estaba por decirle, que tratar de predecir es muy difícil, y que las cosas muchas veces, por no decir siempre, saltan por un lado inesperado.
–Bueno, en 1959, la National Science Foundation, en EE.UU. predijo que ya no habría nuevos avances en la óptica y en 1960 aparece el láser.
–Sí, porque cuando uno trata de adivinar el futuro, en general extrapola el presente, pero el progreso, el avance, el desarrollo o como quiera llamarlo no funciona así.
–Justamente, como no se puede predecir el futuro, siempre hay que estar buscando. Si hay una sorpresa, que nos agarre con los ojos abiertos.

NanotecnologIas

–Nanotecnología: es simplemente construir en escala de nanómetros, es decir, de millonésimos de milímetro. Y eso significa no sólo una reducción de escala, porque nos metemos en la escala atómica, y entonces hace falta entender los procesos químicos y físicos en otro nivel para dominar la tecnología para construir esos aparatos. Lo cual no es sencillo, por cierto. Hay muchas técnicas de laboratorio, como nuestro microscopio óptico del que estuvimos hablando, que no son escalables a nivel industrial.
–¿Por qué?
–Porque, tal como lo vemos ahora, sería un proceso muy lento y complicado. Piense que en un centímetro cuadrado hay cien millones de millones de dispositivos posibles de un nanómetro por un nanómetro, si es que hice bien la cuenta ¿Y cómo fabrica eso a escala industrial?
–Bueno, yo no lo sé.
–Pero uno puede hacer un ejercicio de imaginación. Uno puede pensar que se podrían hacer masters de los dispositivos de muy alta integración, y que ese dispositivo de laboratorio, que es capaz de diseñar átomo por átomo y molécula y por molécula, me fabrique un mensajero.
–¿Usted dice un mensajero como el ADN que fabrica un ARN mensajero?–Es un ejercicio de ficción, pero también hay otros miles de ejercicios de ficción que se le están ocurriendo a otra gente en el mundo.
–Bueno, pero esos ejercicios de ficción tienen baja probabilidad...
–Naturalmente. Cada proyecto científico es una inversión de riesgo, pero la ciencia en su conjunto, no. Si es muy chico el número de proyectos que uno tiene, el riesgo es grande.

Un equipo Unico en el mundo

–En ese sentido vale la pena comentar que en el laboratorio tenemos una estructura que va de lo básico a lo industrial. A los estudiantes los ponemos primero en lo básico, y después cuando se doctoran en lo industrial, porque si uno busca algo nuevo, y capacidad innovativa, hay que tener una formación básica muy fuerte. Aquí en laboratorio, la cosa es integrada y producimos aparatos industriales.
–¿Por ejemplo?
–Acabamos de instalar en la planta de Siderar, en Ensenada, en colaboración con investigadores del Centro de Investigaciones Opticas de La Plata, un equipo único en el mundo, capaz de medir la suciedad residual de la chapa mientras están laminando. No hay otro. En EE.UU. y Japón lo que tienen que hacer es parar el proceso, tomar una muestra y mandarla al laboratorio. Con este equipo, la esperanza es que se pueda controlar y corregir en el momento. Y esto mejora la calidad del producto. Calidad de producto es mercado y mercado es fuerte de trabajo.
–Mmmm... no siempre
–A igual tecnología sí, y en este caso, es calidad. Tenemos otro proyecto con Siderca, donde usamos todas estas tecnologías que se usan en las comunicaciones ópticas de punta, pero en aplicaciones muy distintas, y de vuelta tiene que ver con el control de calidad. En este caso, de las roscas, y nuevamente, hacerlo en línea. La idea es medir la calidad en línea, y si uno tiene mejor calidad, uno impone normas de calidad más exigentes y desplaza del mercado a quienes no cumplen esas normas, que es lo que históricamente nos han hecho a nosotros.
–No estaría mal hacerlo uno alguna vez...
–Y aquí hay que recalcar que la industria no puede comprar estos aparatos afuera por dos razones. Primero, porque no existen, y segundo, porque si existieran, no se lo venderían, porque están compitiendo en el mercado internacional.

Motores de la ciencia

–Durante todo el siglo XX, el gran motor de la ciencia era la guerra y hubo grandes inversiones atrás del desarrollo de la guerra y después eso iba hacia otras áreas. Por eso el auge de la física de las altas energías (nuclear, etc). En cambio ahora el gran motor es la tecnología de la información y uno esta viendo nueva física desarrollada alrededor de esta tecnología. Y hay una cosa curiosa, y es que problemas muy básicos de la física, con estas tecnologías se pueden resolver en el laboratorio.
–Bueno, pero hay algunas cosas como la cosmología...
–No lo crea. Por ejemplo, los láseres estos de pulsos ultracortos están permitiendo desarrollar relojes de tan alta precisión que uno puede estudiar la evolución de las constantes fundamentales de la naturaleza en tiempos humanos y poner a prueba modelos cosmológicos. Le doy un ejemplo. pronto tendremos la posibilidad de tener relojes con 17 decimales estables. Y resulta que hay modelos cosmológicos que predicen que la “constante hiperfina”, una de las constantes fundamentales (como la velocidad de la luz, o la constante gravitatoria), podría cambiar en su cifra 15 en un plazo de pocos años. Entonces, para ver la evolución, si es que existe, de la constante ultrafina, usted puede tratar de hacerlo en un laboratorio como éste, que es un laboratorio impensado, fruto de latecnología de comunicaciones, de los láseres de comunicaciones. Ya no necesita un gran acelerador de partículas de quince mil millones de dólares, sino un aparato de un millón de dólares. Y está haciendo cosmología en el laboratorio. Y hay otras cosas.
–Me sirve de subtítulo.

Otras cosas

–Son cosas nuevas que aparecen, que son muy básicas, como el efecto Hall cuántico fraccionario (el efecto Hall es aquel por el cual uno puede medir cuál es la partícula que lleva la carga eléctrica). Y lo que se vio es como si hubiera cargas fraccionarias portadoras de la corriente en determinados materiales. Ahora, este efecto sólo se ponía de manifiesto en materiales de muy alta calidad, es decir, sin impurezas ni defectos, que fueron desarrollados por la necesidad de obtener láseres de comunicaciones.
–El efecto Hall cuántico fraccionario también fue un Premio Nobel.
–Sí, creo que hace dos años. Y eso era posible por cierta calidad de materiales, que se podían registrar porque los láseres lo permitían. Bueno, y este tipo de cosas se llevan adelante en laboratorios como éste. El enfriamiento óptico, que permitió rozar el cero absoluto (también premio Nobel) también fue un resultado del desarrollo de láseres semiconductores de alta estabilidad, que, una vez más, permitieron avances en ciencia muy básica.

La ciencia en la Argentina

–Mire, siempre, en cada uno de estos diálogos, hay unos párrafos para que los científicos protesten por la situación de la ciencia en la Argentina, y no vamos a hacer una excepción.
–Bueno. Lo más difícil es sobrevivir acá... sería bueno que la sociedad y en particular los economistas entiendan que esto es parte del desarrollo y no una actividad cultural. Uno de los problemas es que la ciencia en la Argentina es que es vista como una actividad cultural.
–¿Por qué “la sociedad y los economistas”? Es una clasificación curiosa.
–Lo que pasa es que asusta que uno tiene economistas por todos lados, porque esto indica que no hay diversidad de visión de la realidad, y yo creo que necesitamos tener una visión más amplia de la realidad para saber qué nos conviene producir y no ir a preguntarle a los economistas de otros lugares, que van a decir lo que a ellos les conviene. Y en esa visión diversa no vendría mal la opinión de los científicos, no como corporación, sino como opinión especializada. Agregaría diversidad.
–Los economistas se consideran científicos.
–Sí, pero no por la metodología. Al fin y al cabo, también los contadores se consideran doctores.