Medio siglo de electr¨®nica cu¨¢ntica

Cuentan que el primer ministro ingl¨¦s William Gladstone visit¨® un d¨ªa el laboratorio de Michael Faraday, uno de los padres de la electricidad en el siglo XIX. Estaba Faraday explicando uno de sus descubrimientos cuando el pol¨ªtico, impaciente, le cort¨®: "Pero, bueno, y ?para qu¨¦ sirve todo esto?" A lo que el cient¨ªfico contest¨®: "No lo s¨¦, se?or, pero estoy seguro que un d¨ªa usted nos cobrar¨¢ impuestos por ello". Aunque esta conocida an¨¦cdota es hist¨®ricamente falsa -Faraday ya hab¨ªa muerto cuando Gladstone lleg¨® a Primer Ministro- capta muy bien la tensi¨®n permanente entre las demandas inmediatas de la sociedad y los beneficios de la ciencia a largo plazo. Otro ejemplo m¨¢s reciente de esos beneficios lo encontramos en la electr¨®nica cu¨¢ntica, cuyo nacimiento hace 50 a?os celebramos ahora.

El l¨¢ser ha hecho renacer la f¨ªsica at¨®mica con aplicaciones insospechadas

El dispositivo por antonomasia de la electr¨®nica cu¨¢ntica es el l¨¢ser, que fue posible gracias a la invenci¨®n del m¨¢ser en 1954. Ambos generan ondas electromagn¨¦ticas -uno luz visible (o casi visible), el otro microondas- usando la energ¨ªa cu¨¢ntica almacenada en los ¨¢tomos, las mol¨¦culas o los materiales, en vez del movimiento de los electrones como sucede en una antena de radio o en una l¨¢mpara.

Como ha sucedido otras veces en la historia, tambi¨¦n la electr¨®nica cu¨¢ntica surgi¨® de una ¨ªntima interacci¨®n entre ciencia y tecnolog¨ªa, en este caso la espectroscopia molecular, que estudia la absorci¨®n y emisi¨®n de radiaci¨®n de las mol¨¦culas, y el radar. Este complejo emisor y receptor de microondas fue crucial durante la Segunda Guerra Mundial, pero al final de ¨¦sta perdi¨® su valor militar y decenas de ellos fueron a parar a manos de cient¨ªficos, que los usaron para explorar las propiedades de las mol¨¦culas.

A finales de los a?os cuarenta esos estudios exig¨ªan microondas con longitud de onda por debajo de un cent¨ªmetro, que los radares eran incapaces de generar. "?Por qu¨¦ no usar los osciladores at¨®micos y moleculares que la naturaleza nos ha dado?" se pregunt¨® en 1951 Charles Townes. Su respuesta fue el m¨¢ser, un oscilador que usaba mol¨¦culas de amon¨ªaco para producir y amplificar microondas y que funcion¨® por vez primera en 1954, en su laboratorio de la Universidad de Columbia en Nueva York.

Tanto el m¨¢ser de Townes como esquemas parecidos de J. Weber de la Universidad de Maryland y de N. Basov y A. Prokhorov del Instituto Lebedev en Mosc¨², estaban basados en el concepto de emisi¨®n estimulada propuesto por Einstein en 1917. Seg¨²n esta idea si una onda electromagn¨¦tica con la frecuencia adecuada incide sobre una mol¨¦cula (o un ¨¢tomo) previamente excitada, ¨¦sta, en vez de absorber la energ¨ªa de la onda, emite radiaci¨®n de esa misma frecuencia. As¨ª, una onda estimula la producci¨®n de otra id¨¦ntica, y ¨¦sta de otra, dando lugar a una amplificaci¨®n de la onda inicial. El genio de Townes fue integrar la idea de Einstein con otras m¨¢s recientes y producir un generador de microondas revolucionario.

Los m¨¢ser amplifican las d¨¦biles se?ales que analizan los radioastr¨®nomos y proveen frecuencias patr¨®n a los ultraprecisos relojes en los sistemas de navegaci¨®n espaciales, pero su impacto en la sociedad ser¨ªa mucho m¨¢s limitado de no haber sido, adem¨¢s, el origen del l¨¢ser. En 1957, Townsend y su cu?ado Arthur Schawlow propusieron un m¨¢ser que emitir¨ªa luz visible. (Si la invenci¨®n del l¨¢ser se debe realmente a Townes y Schawlow o a Gordon Gould es discutible, y hasta hace poco ha sido motivo de litigio.) En 1960, Theodore Maiman, de la compa?¨ªa Hughes, demostr¨® la primera emisi¨®n l¨¢ser, al excitar un cristal de rub¨ª con la luz de una l¨¢mpara. Dos a?os despu¨¦s, tres laboratorios industriales anunciaron el funcionamiento de un diminuto l¨¢ser que usaba un material semiconductor, en el que la excitaci¨®n se lograba pasando una corriente el¨¦ctrica por el dispositivo.

A diferencia de la luz que radia el sol o una bombilla, el l¨¢ser emite un solo color, ya sea rojo, verde, azul o invisible, dependiendo del material o gas que se use. Adem¨¢s, el l¨¢ser produce un haz de luz muy estrecho y casi sin dispersi¨®n angular, permitiendo concentrar su energ¨ªa en un punto. No menos importante, la luz l¨¢ser es coherente, o sea que todas sus ondas oscilan al un¨ªsono, y no cada una por su lado como en una l¨¢mpara.

A pesar de sus extraordinarias propiedades, el l¨¢ser fue durante a?os una soluci¨®n en busca de un problema, pues, aunque era de inter¨¦s en los c¨ªrculos acad¨¦micos -y en ciencia ficci¨®n -, apenas ten¨ªa eco fuera de ellos. A finales de los a?os sesenta se hablaba de numerosas aplicaciones en medicina, metalurgia y comunicaciones, pero ¨¦stas no llegar¨ªan en gran escala hasta una d¨¦cada despu¨¦s. En 1980 la industria relacionada con el l¨¢ser facturaba ya por valor de unos mil millones de euros anuales; en 1993 esa cifra se hab¨ªa multiplicado por veinte.

La capacidad del l¨¢ser de concentrar una enorme cantidad de energ¨ªa le permite cortar, calentar, y hasta evaporar, una peque?a regi¨®n de cualquier material. De ah¨ª su uso en cirug¨ªa, por ejemplo, para corregir la miop¨ªa, y en cosm¨¦tica. La industria del autom¨®vil emplea l¨¢ser de alta potencia para soldadura, y la de la confecci¨®n los utiliza como precisas tijeras. Buscando conseguir la fusi¨®n nuclear en el laboratorio, potent¨ªsimos l¨¢ser calientan n¨²cleos de hidr¨®geno a temperaturas por encima del mill¨®n de grados. Gracias a la propagaci¨®n rectil¨ªnea de la luz l¨¢ser conocemos la distancia de la Tierra a la Luna con un error de unos 10 cent¨ªmetros y podemos detectar peque?¨ªsimos movimientos en las fallas geol¨®gicas. Con todo, el impacto mayor del l¨¢ser se ha dado en el mundo de las comunicaciones.

La idea de usar luz en vez de electricidad para enviar mensajes es anterior al tel¨¦fono, pero sin una fuente de luz potente y unidireccional cualquier esquema ¨®ptico resulta no pr¨¢ctico.

Con el l¨¢ser, las cosas cambiaron. Aunque no se han hecho realidad (?menos mal!) los millones de canales de televisi¨®n que imaginaba Isaac Asimov en 1962, el l¨¢ser ha hecho posible las comunicaciones ¨®pticas, en las que texto, sonido o imagen se convierten en pulsos de luz y se transmiten por fibras de vidrio pur¨ªsimo sin apenas atenuaci¨®n. Por su alta frecuencia, la luz puede transportar mucha m¨¢s informaci¨®n que otro tipo de ondas, y adem¨¢s es inmune a las interferencias, todo lo cual ha permitido absorber el enorme tr¨¢fico telef¨®nico actual y facilitar el desarrollo de Internet, reducir los precios, y conseguir una calidad fant¨¢stica en las conversaciones transoce¨¢nicas.

Ser¨ªa l¨®gico pensar que, a sus 50 a?os, la electr¨®nica cu¨¢ntica ha llegado a su madurez. Nada m¨¢s lejos de la realidad. Igual que la invenci¨®n del m¨¢ser rejuveneci¨® la espectroscopia molecular y dio paso al l¨¢ser, ¨¦ste ha hecho renacer a la f¨ªsica at¨®mica. Usando un l¨¢ser se ha logrado eliminar la agitaci¨®n t¨¦rmica de los ¨¢tomos de un gas y reducir su temperatura hasta la cienmillon¨¦sima del cero absoluto. A estas baj¨ªsimas temperaturas todos los ¨¢tomos se comportan de modo id¨¦ntico, formando un nuevo estado de la materia (condensado de Bose Einstein) con propiedades insospechadas, como demostraron Eric Cornell y Carl Wieman en la Universidad de Colorado en 1995. Y con esos ¨¢tomos condensados Wolfgang Ketterle, del Instituto Tecnol¨®gico de Massachusetts, ha construido ya un l¨¢ser que amplifica ¨¢tomos en lugar de luz, de enorme inter¨¦s cient¨ªfico pero cuya utilidad s¨®lo es posible aventurar.

De lo que s¨ª podemos estar seguros es de que si un d¨ªa Ketterle contestara a un pol¨ªtico como en la an¨¦cdota de Faraday, el tiempo le dar¨ªa la raz¨®n.

Emilio M¨¦ndez es catedr¨¢tico de la Universidad del Estado de Nueva York en Stony Brook.