Apuntes científicos desde el MIT

Cuando empecé la aventura en el MIT nuestro director de Fellowship , Boyce Rensberger, nos dio el consejo que más he implementado este año. Durante la beca, en este blog, y en experiencias cotidianas.
“Scratch where it doesn’t itch!” (rascad donde no os pique!), nos dijo Boyce. “Todos llegáis aquí con ciertos objetivos predefinidos. Unos queréis profundizar en neurociencia, otros en temas medioambientales, de salud, o tecnología… Tenéis 9 meses. Es tiempo suficiente para embarcaros también en asuntos que a priori no os atraen, o que ahora no los consideráis útiles. Destinad parte de vuestro tiempo a explorarlos, a abrir vuestra mente. Rascaros en sitios donde no os pique. Seguro que descubrís gratas sorpresas.”
Si no fuera por este consejo, me hubiera saltado el evento que al final más me impactó del World Science Festival en Nueva York.
El sábado por la mañana decidí atender a un taller para niños porque disponía de un hueco antes de ir a la prometedora conferencia “genes e identidad” de Francis Collins (pronto exdirector del Human Genome Institute). Entré en la sala dispuesto únicamente a pasar el rato, y quizás ver algún experimento curioso. Allí había un personaje ligeramente encorvado, moviéndose de manera muy graciosa, con cierto aire alocado, jugando con los niños y explicándoles cosas sobre el frío. Me sonaba mucho… era… ¡el premio Nobel que escuché discutir sobre cuántica la noche anterior!

La teoría “Calla y calcula”
El evento “Realidad invisible: la maravillosa rareza del mundo cuántico ” empezó con una brillante presentación de Brian Greene , autor del libro y documental “El universo elegante”, aclamado divulgador científico, y codirector del festival. Utilizó videos, bromas, y ejemplos buenísimos para relatar las propiedades más aberrantes y poco intuitivas que siguen las partículas subatómicas cuando se comportan según las leyes de la cuántica.
Me encantó su narración del clásico experimento de “la doble rendija y los fotones ”. Dejadme que, para vencer el complejo de no contar nada, abra un paréntesis para comentarlo.
Imaginaos que en una pared abrís dos rendijas como las de la pantalla, y empezáis a disparar bolas de pintura. Alguna pasarán y otras no. Las que pasen dejarán marcadas dos líneas paralelas en la pared del fondo. Obvio.

Pero… ¿pasaría lo mismo si dispararais electrones entre dos rendijas nanoscópicas?
Pues no. Entonces aparecerían 5 bandas paralelas en lugar de 2. ¿Por qué? Por las propiedades ondulatorias de los electrones y las interferencias que provocan.
Si visualizamos el electrón como una pelotita, no hay manera de entender que aparezcan 5 barras. Pero si lo imaginamos disperso y moviéndose como una ola en un lago, que pasaría por las dos rendijas a la vez, entonces podemos asimilar que al pasar por los agujeros se creen ciertas interferencias entre las ondas resultantes. Estas interferencias harán que las oscilaciones se anulen en algunos sitios y se amplifiquen en otros, dando lugar a las 5 bandas. Los electrones sólo pueden llegar a unos sitios determinados de la pared del fondo.
El experimento tiene más jugo, pero como me gustaría que todo el mundo continúe leyendo el post, si queréis lo matizamos y ampliamos en los comentarios.

Esta fue sólo una de las rarezas que se empezaron a discutir en la mesa redonda posterior. La cuántica nos ofrece un mundo tan desconcertante, que es tentador empezar a divagar con átomos que están en varios sitios a la vez, que viajan de un lugar a otro sin pasar por un espacio intermedio, partículas que permanecen conectadas aunque las separes miles de kilómetros, gatos medio vivos y medio muertos… Pero sobretodo, resulta irresistible extrapolar este mundo atómico al macroscópico en que nos movemos, empezar a buscar interpretaciones como la existencia de universos paralelos, y entrar en discusiones filosóficas sobre la estructura de la realidad.
Es fantástico. Pero desvariar sobre estas hipótesis resulta tan cautivador, que a veces se olvida que la cuántica es la teoría más exacta que existe, nos ha regalado infinidad de aplicaciones tecnológicas, y tiene una vertiente práctica importantísima. Quizás por eso, cuando la conversación estaba en su punto más abstracto, el premio Nobel William Phillips (centro de la foto) mostró la cara más ortodoxa de la ciencia y dijo: “Yo tengo una teoría… la llamo… la teoría ‘calla y calcula’ ”. Momento apoteósico. Todo el auditorio empezó a reír y aplaudir. William Phillips continuó su intervención con un aplomo, clarividencia y rigurosidad deslumbrantes. No renunció al debate filosófico, pero aportó una consistencia y realismo a la sesión que nos ganó a todos. A mí, desde luego.

El lugar más frío del Universo
Por eso, cuando le vi al día siguiente en un registro completamente diferente, inflando globos y metiéndolos en un recipiente lleno de nitrógeno líquido, rompiendo flores congeladas, y explicando a los niños que el lugar más frío del Universo se encuentra en un laboratorio aquí en la Tierra, su versatilidad me dejó todavía más asombrado. Williams Phillips fue un descubrimiento, el comunicador completo. Sus experimentos entusiasmaban a los jóvenes, pero además los combinaba a la perfección explicando apasionadamente qué hacen los físicos con átomos moviéndose poco a poco (frío). Y de tanto en tanto, introducía un nuevo globo en el recipiente...
Si hubiera algún programa de televisión que se dedicara a buscar grandes científicos por el mundo, se atreviera a hablar sin prisas con ellos, y tuviera experiencia en utilizar animaciones y aprovechar la cara más visual de la ciencia, este sería un personaje a entrevistar. Vaya! quizás sí existe … incluso se puede ver por internet ...
Acotación aparte, William Phillips me enamoró científicamente. La frase de Einstein “entiendes realmente algo cuando eres capaz de explicarlo a tu abuela” le encajaba a la perfección. Al final de la sesión empezó a sacar globos con forma de tortilla de la caja de nitrógeno líquido y a tirarlos a los asistentes. Con el cambio de temperatura el aire se expandía, y los globos se inflaban poco a poco en las manos de unos fascinadísimos niños.

Entonces terminó mirándoles a los ojos, bajando el tono de voz, y diciéndoles: “¿sabéis que? Con esto tan divertido los científicos estamos haciendo cosas maravillosas. Por ejemplo, estamos preparando un ordenador completamente diferente, lo llamamos cuántico, y será capaz de cosas que ninguno de los actuales podrá hacer jamás. Lo que pasa es que nos llevará mucho tiempo, tardaremos bastantes años. Quizás si alguno de vosotros se hace científico, nos podrá ayudar a conseguirlo”. Inspirador, tierno, bello, fabuloso.
Llegué tarde a la mesa redonda sobre genes e identidad, claro. No me importó, estaban hablando de lo de siempre… un poco cansino.

Conocí a Enrique del Barco hace 6 años. Era mi primera temporada en REDES y necesitaba asesoramiento para escribir un guión sobre la frontera entre el mundo clásico y el cuántico. En esa apasionante encrucijada se situaban las investigaciones de Enrique en la Universidad de Barcelona.
Me explicó que estaba llegando a tales extremos de miniaturización, que a veces aparecían fenómenos cuánticos indeseados. Era un problema, pero… ¿se podría convertir en una ventaja? ¿Se podrían llegar a construir nanoestructuras que aprovecharan estas propiedades cuánticas y pudieran superar los límites que impone la física clásica? Hablamos largo y tendido de ordenadores cuánticos, criptografía, nanociencia, imanes moleculares, y del nada intuitivo comportamiento de los átomos.
Ahora Enrique dirige su propio laboratorio en Orlando (Florida), desde donde nos explica sus estudios, nos comenta en primera persona el artículo que ayer mismo publicó en Nature Physics, y se ofrece a intentar responder nuestras preguntas más básicas, retorcidas o fantasiosas sobre el increíble pero cierto mundo de la mecánica cuántica.

Patinando entre brújulas moleculares, por Enrique del Barco

¿Quién eres?

Me llamo Enrique del Barco y soy profesor en el departamento de física de la Universidad Central de Florida, en Orlando. Allí puedo hacer lo que realmente me gusta; investigación científica. Me preparé para esto durante mi doctorado en la Universidad de Barcelona, bajo la dirección de Javier Tejada, y un postdoc en la Universidad de Nueva York (NYU).

¿Qué quieres averiguar?

Mis intereses actuales se focalizan en investigación básica en nanociencia.
Estoy convencido de que la nanociencia dará lugar a una nueva revolución tecnológica equiparable a la revolución industrial y de consecuencias similares a la aparición del ordenador personal.
La nanociencia se encarga del estudio de los objetos de tamaño nanométrico (sistemas mesoscópicos), es decir, del orden de una millonésima parte de milímetro (diez veces más grande que el tamaño de un átomo). El estudio de estos sistemas tan pequeños es fascinante porque no se comportan como los grandes. De hecho, se suelen comportar de una manera totalmente diferente e insospechada por nuestra experiencia. Lo explicaré con un ejemplo magnético que quizás sea más fácil de entender. Cojamos una brújula. Se trata de un imán cuyos polos norte y sur están bien definidos y se orienta en la dirección del campo magnético terrestre. Una vez con la brújula en la mano la hacemos más y más pequeña y la usamos para grabar información, por ejemplo, una canción en una cinta magnetofónica. Esto lo hacemos disponiendo las brújulas a lo largo de la cinta de grabación con una sucesión definida de orientaciones de sus polos magnéticos. Si la brújula tiene el norte arriba es un 1 si lo tiene abajo es un 0. Ya tenemos nuestro substrato de grabación. Pero ahora queremos que en el mismo tamaño de cinta nos quepa toda la discografía de Joaquín Sabina. ¿Qué tenemos que hacer? Disminuir el tamaño de las brújulas para que quepan más en la cinta y podamos escribir más ceros y unos. La pregunta es: ¿Hay un límite? ¿Podemos disminuir tanto como queramos el tamaño de nuestras brújulas? La respuesta es negativa. Todos hemos experimentado el deterioro de calidad de una cinta magnetofónica y eso es porque si se da cierta energía, por ejemplo al incrementar la temperatura de una cinta expuesta al sol en el coche, la brújula puede rotar sus polos y hacer que se pierda la información almacenada. La probabilidad de que esto suceda es mayor cuanto menor es la brújula. Una posible solución sería bajar la temperatura para preservar la información. Esto en principio funciona, en ausencia de energía las brújulas no podrán cambiar la orientación de sus polos así que ahora ya podemos disminuir su tamaño. Pero enseguida llegamos a otro límite. Cuando la brújula es de tamaño nanométrico la orientación de sus polos puede cambiar súbitamente incluso en ausencia total de energía. Esto es debido a las propiedades cuánticas de la materia que sólo se manifiestan cuando el tamaño del sistema deviene suficientemente pequeño. Y esto, definitivamente, no tiene solución. La física cuántica impone un rígido límite a la máxima densidad de información que podemos almacenar clásicamente en un espacio determinado.
Debido a que las demandas informáticas y electrónicas actuales están llegando a este límite, los tecnólogos piden soluciones imaginativas al problema. Estas soluciones han sido ya sugeridas. De hecho, se sabe que las propiedades cuánticas de los nano-materiales, lejos de ser un problema, pueden suponer una revolución sin precedentes. Se trata, simplemente, de aprender a utilizar estas curiosas propiedades en beneficio nuestro. En el ejemplo expuesto, las propiedades de una brújula cuántica no sólo aumentarán la capacidad de información considerablemente sino que permitirán la construcción de ordenadores cuánticos infinitamente más rápidos que los actuales.
Es precisamente en la frontera que separa los mundos clásico (grande) y cuántico (pequeño) donde se centra mi interés científico. Quiero entender los mecanismos que rigen el comportamiento cuántico de los materiales —cuándo actúan, por qué aparecen y qué los condiciona— y cómo estas propiedades únicas pueden ser utilizadas en nuestro provecho en un futuro más o menos cercano.

¿Cómo pretendes averiguarlo?

En mi caso, para entender lo que ocurre en la frontera clásico/cuántica estudio moléculas magnéticas (pequeñas brújulas moleculares). Los imanes moleculares permiten el uso de ingeniería inorgánica para la confección de prototipos magnéticos de diferentes tamaños que puedan cruzar la frontera desde el mundo mesoscópico al macroscópico. Y, ¿cómo hago esto? Sencillo, llamo a mis colaboradores químicos y les pido moléculas a la carta. “Mira, Eugenio, Quiero una molécula de unos tres nanómetros que tenga geometría esférica y que se adhiera a una superficie de oro, que quiero hacer pruebas de corriente electrica”. Y ellos me envían algo que se le parece y que normalmente resulta mejor de lo que había pedido en un principio.
Resulta que ciertas moléculas magnéticas, conocidas como nanoimanes o clusters moleculares (en la figura se muestran varias de estas moléculas, comparables en tamaño, 1-5 nanómetros, a nanopartículas magnéticas como el FePt) presentan características asombrosas a baja temperatura, que permiten un estudio exhaustivo del comportamiento cuántico de materiales magnéticos mesoscópicos que antes de su aparición sólo la teoría más básica podía imaginar. Y entre estas propiedades se encuentra el intercambio de los polos magnéticos del nanoimán por efecto túnel. Es decir, tenemos a disposición nano-brújulas en el límite de tamaño para el almacenamiento de información que discutía antes y se presentan como excelentes candidatos para futuras tecnologías de información y computación cuántica.

Barra libre

Para estudiar su comportamiento necesito muy bajas temperaturas, por lo que los gastos de investigación se disparan. Por ejemplo, un solo criostato de mi laboratorio consume una media de 1.000 dólares a la semana en helio líquido, a lo que hay que sumarle otra infinidad de gastos que no quiero ni pensar ahora. Los gastos de operación sumados al costo del instrumental necesario hace que investigadores jóvenes sólo puedan acceder a éste tipo de experimentación en países como Estados Unidos, que invierten grandes cantidades de dinero en esta dirección y cuyas dinámica universitaria está perfectamente entrenada para promover nuevas iniciativas (que suele ser el caso de los más jóvenes), justo lo contrario a lo que ocurre en España, desgraciadamente. Para poner un dato encima de la mesa, la UCF me concedió un millón de dólares para montar mi laboratorio, algo que cuando lo cuento en España da la risa.
Pero volvamos a la parte divertida. Acaba de salir publicado en Nature Physics un artículo nuestro en el que mostramos una manifestación completamente novedosa de la mecánica cuántica más elemental. Se trata de un nuevo nanoimán molecular que tiene forma de anillo. La parte interesante es que sus dos mitades (señaladas en verde y amarillo en la imagen) “tunelean” al unísono, como si se tratase de una pareja de patinaje artístico sobre hielo, con la particularidad de que, bajo ciertas condiciones, las “trayectorias túnel” de ambos semi-anillos interfieren destructivamente y el efecto túnel desaparece. Algo así como la interferencia destructiva entre dos ondas de agua, cuando se encuentran los valles de una con las crestas de la otra la onda se desvanece. Un fenómeno que también sucede entre dos ondas de luz, que al juntarse pueden dar lugar a oscuridad. En nuestro caso, este fenómeno tiene un origen topológico (de forma) y es conocido como fase de Berry (en honor al matemático británico Michael Berry que la propuso, que por cierto nos visita en Orlando con cierta regularidad para contarnos sus asombrosos estudios de los tsunamis, un buen tema para tu blog, Pere, por cierto). Es la primera vez que esta fenomenología se observa en un sistema de dos spines conectados que oscilan por efecto túnel. De hecho todavía no se ha desarrollado la teoría pertinente, por lo que esperamos que el artículo en Nature Physics tenga una amplia repercusión en diferentes disciplinas.

En fin, podría seguir explicándoos cosas, pero quizás sería demasiada mecánica cuántica para un solo día. Un abrazo.

La imagen:

La siguiente imagen representa un nanoimán molecular conectando los electrodos nanométricos de un transistor monoelectrónico (por el cual la corriente eléctrica fluye electrón a electrón). La conjunción a escala nanométrica de diferentes propiedades básicas se denomina multifuncionalidad y es una de las direcciones de más adhesión en diferentes disciplinas científicas y tecnológicas. En el caso del electrón, se intenta usar su spin (propiedad magnética) y su carga (propiedad eléctrica) en ingenios nanoelectrónicos con nuevas y prometedoras aplicaciones, en lo que se ha dado a llamar spintronics. En nuestro caso, estudiamos spintronics en transistores moleculares, en los cuales, además, se utilizan las propiedades básicas (casi fantásticas) de nuestros nanoimanes moleculares para la manipulación de la corriente eléctrica en formas completamente novedosas.