¡°Utilizo la invisibilidad como se?uelo, no me parece hacer trampa¡±

Desde hace unos a?os, cada principio de octubre, John Pendry (Manchester, 1943) recibe una llamada en la que le piden rendir cuentas de sus movimientos esa semana. Es uno de los favoritos en Reino Unido a ganar el premio Nobel de F¨ªsica, y la universidad en la que trabaja, el Imperial College de Londres, quiere estar preparada si ocurre. Pendry, experto en ¨®ptica y en f¨ªsica de la materia condensada, es reconocido como el padre de un campo entero de investigaci¨®n y desarrollo tecnol¨®gico: los metamateriales. Gracias a ellos, el catedr¨¢tico ha propuesto teor¨ªas viables para crear la primera ¡°capa¡± o escudo de invisibilidad y una lente perfecta que permitir¨ªa ver el interior de las c¨¦lulas con un microscopio o una simple c¨¢mara de m¨®vil. Est¨¢ en Madrid como ponente en la Escuela Internacional Nicol¨¢s Cabrera?dedicada a la nanofot¨®nica, que organizan la Universidad Aut¨®noma de Madrid y la Fundaci¨®n BBVA.

Pregunta: ?Qu¨¦ tiene que ver la nanofot¨®nica con su campo, los metamateriales?

Respuesta: Est¨¢n relacionados. Si quieres usar la luz tienes que controlarla. La ¨®ptica tradicional utiliza rayos, lentes, objetos como las gafas. Esa tecnolog¨ªa se lleva desarrollando a?os, pero solo puede controlar la luz en una escala relativamente grande por una restricci¨®n llamada el l¨ªmite de Abbe. Un se?or del siglo XIX que trabajaba en lo que luego fue Alemania del Este, [Ernst Karl] Abbe, descubri¨® que si utilizas lentes convencionales, solo puedes enfocar con una resoluci¨®n de media longitud de onda, que viene a ser medio micr¨®metro [millon¨¦sima de metro] o as¨ª. Es una restricci¨®n enorme en los tiempos que corren, porque gran parte de la ciencia ahora se desarrolla en la nanoescala [millon¨¦sima de mil¨ªmetro]. Si quieres controlar la luz a esta escala, necesitas nuevos materiales, los metamateriales.

P: ?C¨®mo funcionan los metamateriales?

R: La idea es que, en lugar de escoger solo la composici¨®n qu¨ªmica del material, a?ades a las variables su estructura interna. Por ejemplo, la plata pulida es uno de los mejores reflectores de luz que existen. Pero puedes hacer otra cosa con la plata: si la trituras hasta formar un polvo muy fino de nanopart¨ªculas, es completamente negra. Esto son los negativos antiguos de fotograf¨ªa. La composici¨®n qu¨ªmica es la misma, pero al cambiar la estructura haces algo muy, muy distinto con el material. Ese es el secreto: la estructura.

El secreto est¨¢ en la estructura

P: ?Entonces el campo de los metamateriales es una disciplina antigua?

R: Bueno, las personas han manipulado la estructura durante muchos, muchos a?os. Pero el inter¨¦s reciente empez¨® realmente con un estudio que realic¨¦ en 1999, donde suger¨ªa una forma concreta de hacer materiales estructurados que no se hab¨ªan considerado antes. El motivo por el que caus¨® mucho inter¨¦s es porque de esta forma podemos hacer materiales con propiedades que no se conocen en la naturaleza.

P: En la ingenier¨ªa y el dise?o, muchas ideas buenas han venido tomando inspiraci¨®n de la naturaleza. ?Podr¨ªan venir las mejores alej¨¢ndonos de ella?

R: S¨ª y no. El concepto de metamaterial puro tiene una estructura a una escala mucho menor que la longitud de onda de la luz, por lo que no se ve la estructura a simple vista. Para lograr actividad a esa escala, hace falta usar compuestos qu¨ªmicos o materiales que no son naturales. La naturaleza se basa en la qu¨ªmica org¨¢nica, y muchos metamateriales son met¨¢licos, por eso los metamateriales como tal no existen en la naturaleza. Pero s¨ª existen los cristales fot¨®nicos, que tienen estructuras en la escala de la longitud de onda de la luz, y funcionan por difracci¨®n. Hay muchos ejemplos de manipulaci¨®n de la luz por estructuras naturales, como el color de las mariposas. Hay polillas que absorben radiaci¨®n, y eso se ha copiado. Pero son estructuras limitadas, porque la naturaleza trabaja con esta paleta de qu¨ªmica org¨¢nica y lo que resulta no suele tener actividad ¨®ptica en la nanoescala.

Los metamateriales no existen en la naturaleza

P: Su trabajo m¨¢s conocido con los metamateriales es la creaci¨®n de la capa de invisibilidad, que hace que la luz rodee a un objeto sin reflejarse. ?C¨®mo se le ocurri¨®?

R: El estudio de 1999 fue una sorpresa tremenda que arranc¨® la disciplina. Era muy t¨¦cnico, pero quer¨ªamos contar al mundo que ten¨ªamos algo sorprendente y una nueva tecnolog¨ªa para dise?ar los metamateriales, la transformaci¨®n ¨®ptica. En aquel entonces estaba asociado a Darpa, la Agencia de Proyectos de Investigaci¨®n Avanzados de Defensa, que naci¨® en EE UU al tiempo que Sputnik con el objetivo de que a los estadounidenses nunca m¨¢s les pillase por sorpresa la tecnolog¨ªa. Organizaron una conferencia de metamateriales en San Antonio, Texas, y me pidieron que ¡°le diera un poco de salsa¡±. As¨ª que pens¨¦ ¡°yo les doy salsa¡±, y despu¨¦s de hablar de la tecnolog¨ªa col¨¦ un chiste. El chiste era: ¡°Por cierto, podemos volver un objeto invisible, y aqu¨ª est¨¢ la f¨®rmula matem¨¢tica y el material necesario¡±. En lugar de re¨ªrse, se lo tomaron muy, muy en serio. Me ofrecieron mucho dinero para investigarlo, pero lo rechac¨¦.

P: ?Ya hablaban de Harry Potter en esta conferencia?

Fue como una bofetada: ?Oye, prestad atenci¨®n, esta tecnolog¨ªa es importante!

R: Pues, ahora que lo dice, s¨ª. Yo nunca hab¨ªa o¨ªdo hablar de Harry Potter, pero a mi mujer le gustan sus libros. Cuando le expliqu¨¦ lo que iba a hacer en la conferencia me dijo ¡°Ah, ?quieres decir como la capa de Harry Potter?¡± As¨ª que acab¨¦ haciendo alusi¨®n a ¨¦l. La idea era aprovechar todo el inter¨¦s p¨²blico en torno a la invisibilidad, por Harry Potter y por toda la literatura que existe, porque es algo que el p¨²blico conoce. Sab¨ªamos que ser¨ªa como una bofetada: ¡°?Oye, prestad atenci¨®n, esta tecnolog¨ªa es importante!¡± Y as¨ª demostr¨® serlo.

P: ?C¨®mo se pasa de una teor¨ªa a una capa de invisibilidad real?

R: En la escala de las microondas es relativamente f¨¢cil, y hay muchos experimentos con esta longitud de ondas. Las microondas tienen longitud de onda de cent¨ªmetros, as¨ª que el metamaterial puede tener una estructura de varios mil¨ªmetros, que es f¨¢cil para la ingenier¨ªa. Con la luz visible es mucho m¨¢s dif¨ªcil, porque la estructura tiene que ser m¨¢s peque?a que la longitud de onda: esta es de medio micr¨®metro, as¨ª que hablamos de decenas de nan¨®metros. Se puede hacer, pero es tecnolog¨ªa dif¨ªcil. Un investigador, Shuang Zhang de Birmingham (Reino Unido), construy¨® un escudo de invisibilidad utilizando cristales enormes de China. Logr¨® hacer desaparecer un objeto en parte del espectro visible.

P: ?Qu¨¦ aspecto tiene la capa?

R: El objeto de Zhang mide unos 10 cent¨ªmetros, pero est¨¢ hecho de trozos enormes de cristal. No es algo que puedas ondear o ponerte encima.

P: La gente oye ¡°capa de invisibilidad¡± y empieza a pensar en aplicaciones militares, o algo que se podr¨¢ comprar en una tienda.

R: Hay que ser francos desde el principio. No puedes animar la especulaci¨®n sobre cosas que sabes que nunca van a ocurrir.

P: Pero se dijo que la invisibilidad nunca iba a ocurrir, y ahora existe porque usted especul¨®.

Yo no especul¨¦. Yo hice un poco de ciencia

R: Yo no especul¨¦. Yo hice un poco de ciencia.

P: Habr¨¢ un punto medio entre ser un cient¨ªfico so?ador y solo trabajar cuando se tiene una aplicaci¨®n realista en mente.

R: Bueno, yo lo usaba como se?uelo. Esta entrevista, por ejemplo¡­ probablemente no me estar¨ªa haciendo preguntas si no hubiese o¨ªdo hablar de la invisibilidad. Esto no me parece hacer trampa, porque a la gente le interesa la invisibilidad: hay una historia de c¨®mo lo logramos, y hay ciencia detr¨¢s de ello. As¨ª lo utilizo como oportunidad de hablar sobre lo que hacemos. He trabajado en muchas ¨¢reas de la ciencia durante mi carrera. Sol¨ªa trabajar en f¨ªsica de electrones y es muy dif¨ªcil que la gente se interese por tu trabajo cuando estudias electrones. Hay demasiado trasfondo que explicar. Con la ¨®ptica es un lujo, porque todo el mundo cree que sabe c¨®mo funciona la luz. Cuando les dices un par de cosas que no conoc¨ªan sobre la luz, ya est¨¢s construyendo sobre lo que s¨ª saben. Ha sido un veh¨ªculo excelente de divulgaci¨®n.

P: Hablemos entonces de sus otras ¨¢reas de investigaci¨®n. Est¨¢ construyendo la ¡°lente perfecta¡± sin l¨ªmite de resoluci¨®n. ?En qu¨¦ consiste?

Los cient¨ªficos no pueden ver el interior de una c¨¦lula. Necesitamos mejor resoluci¨®n

R: Con un microscopio tradicional, que utiliza lentes tradicionales, no puedes ver nada m¨¢s peque?o que media longitud de onda. Eso es un fastidio tremendo hoy en d¨ªa, porque media longitud de onda es como medio micr¨®metro, y hay mucha ciencia moderna en la nanotecnolog¨ªa, que es cien o mil veces m¨¢s peque?a. No podemos ver nada de esto. Sobre todo en biolog¨ªa, donde el microscopio es la herramienta esencial, los cient¨ªficos no pueden ver el interior de una c¨¦lula. Necesitamos mejor resoluci¨®n. Eso era una barrera enorme; bueno, lo sigue siendo, porque tenemos la teor¨ªa de la lente perfecta, pero es muy dif¨ªcil implementarla en la pr¨¢ctica.

Todos los materiales conocidos tienen un ¨ªndice de refracci¨®n positivo que dobla la luz de cierta forma. Hace unos 50 a?os, casi exactamente, un ruso llamado Victor Veselago dijo que si un objeto tuviese un ¨ªndice negativo podr¨ªa tener muchas aplicaciones, como la creaci¨®n de una lente que operase bajo principios completamente distintos a las lentes tradicionales. La lente [hipot¨¦tica] de Veselago no era lenticular, era un plano del material negativo que enfocaba la luz. Pero no llev¨® la idea m¨¢s all¨¢. Asumi¨® que estaba sujeta al l¨ªmite de Abbe. Yo no: ten¨ªa mis sospechas y estaba trabajando en el campo de la nano¨®ptica. Analic¨¦ la teor¨ªa matem¨¢tica, esperando que obedeciese el l¨ªmite de Abbe ¡ªpor otro motivo interesante¡ª, pero no lo hac¨ªa. Mi f¨®rmula me dijo: esta lente es perfecta, bien construida, enfocar¨¢ la luz a la perfecci¨®n.

P: ?Se puede construir la lente perfecta?

R: S¨ª, hay varios prototipos. El motivo por el que no era muy conocido el trabajo de Veselago es porque que no exist¨ªan materiales con ¨ªndices de refracci¨®n negativos. Con nuestra contribuci¨®n, los metamateriales, por primera vez fue posible.

P: ?Qu¨¦ aplicaciones tiene la lente?

Esta tecnolog¨ªa podr¨ªa mejorar todo tipo de productos de diagn¨®stico biol¨®gico

R: Pues todav¨ªa no han logrado instalarla en un microscopio. Es un reto demasiado grande. Pero lo que s¨ª se puede hacer es enfocar la luz a un punto peque?¨ªsimo. Esto es ¨²til en muchos campos. Por ejemplo, en la espectroscop¨ªa hay un problema, y es que el fot¨®n mide varios micr¨®metros y la mol¨¦cula que queremos detectar, nan¨®metros. Es una conversaci¨®n entre un rat¨®n y un elefante. Si puedes estrujar los fotones al espacio nanom¨¦trico, tienes sensibilidad para detectar una sola mol¨¦cula, que es el objetivo final de la espectroscop¨ªa. Esta tecnolog¨ªa podr¨ªa mejorar todo tipo de productos de diagn¨®stico biol¨®gicos, y de hecho hay mucha gente trabajando en esto. Luego hay objetivos m¨¢s complicados, pero fascinantes desde el punto de vista cient¨ªfico, como lograr que la luz cambie de color e interact¨²e con otros fotones.

P: ?Qu¨¦ ser¨¢ posible en la pr¨®xima d¨¦cada gracias a los metamateriales que no es posible ahora?

Si fuera evidente de inmediato todo lo que se puede hacer con una nueva idea, no ser¨ªa una idea muy profunda

R: Se tarda mucho hasta que una idea nueva llega al mercado. Yo hago la comparaci¨®n con la tecnolog¨ªa l¨¢ser, que empez¨® como una soluci¨®n en busca de un problema. La primera aplicaci¨®n comercial del l¨¢ser fue en la caja de los supermercados. Cuando le damos esto a los ingenieros, lo primero que piensan es: ¡°?C¨®mo puede ayudarme esto con un problema actual?¡± Solo mucho m¨¢s tarde ¡ªprobablemente sea la nueva generaci¨®n¡ª se preguntan: ¡°?Qu¨¦ m¨¢s podemos hacer que todav¨ªa no es posible?¡± As¨ª es con los metamateriales: las primeras aplicaciones comerciales ser¨¢n para cosas que ya hacemos, pero que se har¨¢n mejor y por menos dinero. Por ejemplo, una empresa en Seattle, Kymeta, ha mejorado el concepto de la comunicaci¨®n sat¨¦lite. Se utilizan recibidores de disco de 30 cent¨ªmetros de di¨¢metro, pesados, caros y que consumen mucha energ¨ªa. Con los metamateriales, hacen recibidores planos, ligeros, baratos y que se alimentan con el USB del port¨¢til.

A m¨ª me sorprenden muchas de las nuevas aplicaciones. Si fuera evidente de inmediato todo lo que se puede hacer con una nueva idea, no ser¨ªa una idea muy profunda. Como cient¨ªfico, hace falta tener olfato para las ideas profundas.