La luz y la imagen conducen al premio

Hace dos semanas, de visita en San Sebasti¨¢n para participar en unas jornadas sobre nanotecnolog¨ªa, aprovech¨¦ un rato libre para acercarme a La Concha. Era una de esas ma?anas gloriosas de principio de oto?o, en que no hay una nube en el cielo, la luz es pura y el sol calienta, y la bah¨ªa se exhibe en todo su esplendor. Cautivado por la belleza de la escena, saqu¨¦ mi c¨¢mara e hice fotos por doquier. Por la noche, ya en el hotel, seleccion¨¦ las mejores, conect¨¦ mi ordenador port¨¢til y se las envi¨¦ a mi hija en San Francisco, que hab¨ªa visitado la ciudad no hac¨ªa mucho. Dos minutos despu¨¦s ten¨ªa de vuelta sus nost¨¢lgicos comentarios, y no pude dejar de pensar en la magia de la t¨¦cnica, que me hab¨ªa permitido capturar un momento irrepetible, compartirlo con alguien a 8.000 kil¨®metros de distancia, y recibir sus impresiones de inmediato. No pod¨ªa imaginar que cinco d¨ªas despu¨¦s la Academia Sueca de Ciencias honrar¨ªa con el premio Nobel de F¨ªsica a Charles Kao, Willard Boyle y George Smith, tres figuras clave en el desarrollo de las comunicaciones ¨®pticas y la fotograf¨ªa digital que hab¨ªan hecho posible mi experiencia.

El impacto del CCD va mucho m¨¢s all¨¢ de nuestras c¨¢maras digitales de bolsillo

En realidad, las comunicaciones ¨®pticas no son nada nuevo. El primer sistema telegr¨¢fico moderno, desarrollado en Francia a finales del siglo XVIII, consist¨ªa en una serie de torres de observaci¨®n, en cada una de las cuales un operador con un telescopio avistaba la se?al que recib¨ªa de la torre anterior y la retransmit¨ªa a la siguiente mediante un sistema de banderas. El tel¨¦grafo el¨¦ctrico y el tel¨¦fono acabaron con ese primitivo m¨¦todo de comunicaci¨®n. A mediados del siglo XIX se empezaron a instalar cables telegr¨¢ficos; en pocos a?os se pod¨ªa recibir un mensaje sencillo al otro lado del oc¨¦ano en cuesti¨®n de minutos y, a principios del siglo XX, en tan s¨®lo unos segundos. El primer cable telef¨®nico transatl¨¢ntico, tendido en 1956, pod¨ªa transmitir 36 llamadas a la vez.

Con ondas electromagn¨¦ticas, como las de radio, se puede transmitir m¨¢s informaci¨®n que con la telefon¨ªa por cable, y cuanto mayor la frecuencia de las ondas mayor es la capacidad de transmisi¨®n. Por eso, tras la invenci¨®n del l¨¢ser a principios de la d¨¦cada de los sesenta, varios laboratorios consideraron la posibilidad de comunicaciones ¨®pticas, en las que un haz de luz guiado por una fibra de vidrio transmitir¨ªa informaci¨®n con una capacidad cien mil veces mayor que la comunicaci¨®n por radio. Adem¨¢s, un sistema ¨®ptico ser¨ªa inmune a interferencias, y m¨¢s seguro y menos proclive a accidentes que un sistema el¨¦ctrico de telefon¨ªa.

Kao y su colega George Hockham de Standard Telecommunication Laboratories (Reino Unido), predijeron en 1966 que la comunicaci¨®n ¨®ptica a grandes distancias pod¨ªa ser realidad si por cada kil¨®metro de fibra al menos el 1% de la luz que entrara por un extremo apareciera en el otro. Aunque en las fibras de entonces la atenuaci¨®n era infinitamente mayor Kao no se desanim¨®, y luch¨® incansablemente por convencer a los esc¨¦pticos (incluidos los directivos de su compa?¨ªa), a la vez que buscaba la manera de reducir las impurezas causantes de la atenuaci¨®n de la luz en el vidrio. Fueron finalmente los ingenieros de la compa?¨ªa Corning, en Nueva York, con Robert Maurer a la cabeza, los que en 1970 encontraron el procedimiento para producir fibras de s¨ªlice tan puras que su atenuaci¨®n quedaba por debajo de lo que exig¨ªan los c¨¢lculos de Kao y Hockham.

Las fibras ¨®pticas actuales son verdaderas autopistas de la informaci¨®n entre ciudades y continentes, por las que circulan a la vez millones de conversaciones telef¨®nicas y un ingente volumen de datos a una velocidad equivalente a la transmisi¨®n de varios miles de fotos de alta resoluci¨®n por segundo.

Las comunicaciones ¨®pticas requieren la digitalizaci¨®n de la informaci¨®n. La conversi¨®n de la voz en una se?al el¨¦ctrica y ¨¦sta a su vez en una colecci¨®n de unos y ceros, o la representaci¨®n de letras y s¨ªmbolos en ese sistema num¨¦rico binario, es relativamente f¨¢cil. Pero, ?c¨®mo capturar una imagen y convertirla en una cadena de unos y ceros? La respuesta la dieron Boyle y Smith de Bell Laboratories, en Nueva Jersey, con su invenci¨®n de un dispositivo semiconductor conocido por las siglas CCD (en ingl¨¦s, charge-coupled device).

En un par de horas de un d¨ªa de septiembre en 1969, los cient¨ªficos bosquejaron la estructura y funcionamiento del nuevo dispositivo, que consiste en una matriz de condensadores semiconductores, o celdas, organizados regularmente en filas y columnas. Cuando la luz incide en cada una de las celdas libera electrones del semiconductor en n¨²mero proporcional a su intensidad, y ¨¦stos se acumulan en el condensador. Se forma as¨ª en la matriz una r¨¦plica el¨¦ctrica del objeto del que procede la luz, tanto m¨¢s fiel cuanto mayor sea la densidad de celdas (p¨ªxeles). Aplicando pulsos el¨¦ctricos de una forma ingeniosa, se puede determinar num¨¦ricamente la carga el¨¦ctrica almacenada en cada p¨ªxel, y la informaci¨®n, una vez digitalizada, se reproduce como una imagen en una pantalla o en el papel de una impresora. En 1972, la compa?¨ªa Fairchild Semiconductor (California), construy¨® el primer sensor de im¨¢genes, con diez mil p¨ªxeles; las primeras c¨¢maras con dispositivos CCD primitivas y voluminosas aparecieron en el mercado en 1981.

El impacto del CCD va mucho m¨¢s all¨¢ de nuestras c¨¢maras digitales de bolsillo, que sobrepasan los diez millones de p¨ªxeles. Los detectores digitales de imagen son indispensables en medicina, cartograf¨ªa, astronom¨ªa y microscop¨ªa. Las incre¨ªbles im¨¢genes que, gracias a los detectores CCD, recibimos de Marte o del telescopio Hubble nos llevan a descubrir mundos nuevos, y sin duda muchos m¨¢s aparecer¨¢n cuando se consiga extender esa tecnolog¨ªa a m¨¢s regiones del espectro electromagn¨¦tico.

Kao, un visionario y un gran vendedor de sue?os luego hechos realidad, ten¨ªa puesto los ojos en el Nobel desde hac¨ªa mucho tiempo, mientras que Boyle y Smith, apasionados por la vela y jubilados desde hac¨ªa m¨¢s de 20 a?os, parec¨ªan haber perdido la esperanza del premio. Por fin les ha llegado a los tres el reconocimiento de la Academia Sueca, bastante despu¨¦s de que la sociedad sintiera el extraordinario impacto de sus contribuciones, hechas 40 a?os atr¨¢s.

Emilio M¨¦ndez (emendez@bnl.gov) es director del Centro de Nanomateriales Funcionales del Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Nueva York.