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Arthur Ashkin, Gérard Mourou y Donna Strickland, ganadores del Premio Nobel de Física 2018. Ilustración: Niklas Elmehed. Copyright: Nobel Media AB 2018.
 

El 2 de octubre fue anunciado el esperado Premio Nobel de Física de 2018, el más importante para los científicos que trabajamos en esta disciplina. Esta vez el físico norteamericano Arthur Ashkin es el merecedor de la mitad del Premio Nobel en Física por la invención de las “pinzas ópticas”, herramienta que permitió cumplir un viejo sueño de la ciencia ficción: usar la presión de radiación de la luz para mover objetos físicos. Ashkin demostró que es posible la manipulación de partículas microscópicas, átomos, virus, bacterias y células vivas usando luz láser. La otra mitad del Nobel de Física la comparten Donna Strickland y Gérard Mourou por desarrollar un método para generar pulsos ópticos ultra cortos y de alta intensidad que han sido utilizados en aplicaciones de óptica visual, principalmente en millones de cirugías del ojo.

Pinzas ópticas

Desde las observaciones de las colas de cometas hechas por Johannes Kepler en los años 1600, se insinuó la posibilidad de que la luz pudiera ejercer algún tipo de fuerza en los cuerpos materiales sobre los que incide. Posteriormente en los años 1800, la teoría electromagnética formulada por James Clerk Maxwell dio el soporte teórico para entender la que se conoce como la presión de radiación. A pesar de las primeras observaciones experimentales de las fuerzas de presión de radiación, las magnitudes de esas fuerzas no superaban las fuerzas gravitacionales y de fricción, haciéndolas difíciles de medir y manipular.

La historia cambió radicalmente con la invención del láser en 1960; Arthur Ashkin y sus colaboradores, aprovecharon precisamente esas fuerzas débiles de radiación, “amplificadas” ahora por el desarrollo tecnológico de una fuente de luz estable y concentrada, para impulsar microesferas (1970), mostrando por primera vez que usando la presión de radiación de la luz láser era posible manipular objetos.

El profesor Ashkin no paró allí; creó una técnica más poderosa que sería conocida como trampa óptica, y que básicamente consiste en enfocar un haz de luz que tenga la característica de ser más intensa en el centro que en la periferia, de modo tal que una micropartícula sentirá una fuerza de atracción hacia el foco de la luz y allí quedará atrapada. Piensen ahora que si, atrapada la micropartícula decidimos desplazar el haz, lo que tendremos será una pinza de luz o “pinza óptica” que permitiría mover la micropartícula, y con ello una herramienta formidable para trabajar en el micromundo.

Desde el principio, el profesor Ashkin vio el potencial de sus descubrimientos para atrapar y enfriar átomos; sí, leyeron bien, ¡átomos!. Esta idea derivó en dos Premios Nobel: en 1997 a S. Chu, B. Phillips, y C. Cohen-Tannoudji por la construcción de una trampa de átomos por enfriamiento láser, y en 2001 a C. Wieman por la creación de condensados de Bose-Einstein, usando el mismo principio. Para muchos investigadores alrededor del mundo Ashkin también mereció el Premio Nobel en 1997, ya que participó con S. Chu en las investigaciones sobre confinamiento y atrapamiento de átomos.

Las pinzas ópticas permiten manipular objetos a escala micro (la escala de una célula) y nanométrica (la escala de moléculas). De esta forma es posible interrumpir o imitar procesos biológicos y así comprender los mecanismos y los principios que los rigen. Diferentes diseños experimentales han aportado valiosa información relacionada con el funcionamiento y la energética de procesos realizados por “motores moleculares” (ingenios “mecánicos” del tamaño de moléculas), el plegamiento de diversas macromoléculas (la manera como se enrollan por ejemplo las proteínas) así como la plasticidad de la membrana celular. Adicionalmente, dado que la luz puede penetrar en el interior de una célula sin romper su membrana, ya hay experimentos que han logrado manipular los cromosomas (donde se empaca la información genética durante la reproducción celular) y las mitocondrias (las centrales energéticas de las células) dentro de células vivas.

Las pinzas ópticas abren campos inexplorados de investigación y una multitud de aplicaciones industriales y médicas; con ellas se podrán hacer experimentos o cirugías a nivel microscópico y molecular. Se prevé el desarrollo de motores moleculares impulsados por luz, pues la luz también puede hacer rotar las micropartículas (los físicos dicen que la luz genera “torque”), y se tendrán sistemas que clasifiquen moléculas; todo esto sin necesidad de partes mecánicas, en ambientes que pueden estar completamente sellados, o mejor dicho, aislados de sus alrededores.

Pulsos ópticos ultracortos y de alta intensidad

Compartiendo la mitad del premio se encuentra la física canadiense Donna Strickland (la tercera mujer en recibir el Nobel de Física en 117 años) y el físico francés Gérard Mourou.  Ambos desarrollaron un método avanzado para generar pulsos ópticos ultracortos y de alta intensidad. Estas pequeñas explosiones de luz y la técnica desarrollada por Strickland y Mourou, llamada técnicamente Chirped Pulse Amplification (CPA), permiten observar eventos que suceden entre moléculas y átomos, por ejemplo, cuando aislantes eléctricos se convierten en conductores. Antes del CPA ya existían técnicas para producir pulsos láser con una duración de apenas femtosegundos (una milésima de billonésima de segundo), pero con la técnica de Strickland y Mourou se consiguen intensidades realmente altas.

Los pulsos ultracortos tienen aplicaciones en medicina, donde permiten, por ejemplo, hacer cirugías de la córnea, sin tener efectos térmicos sobre ella (sin calentarla). En el tema de los materiales, el CPA y otras técnicas para producir pulsos ultracortos permiten organizar superficies a escala nanoscópica para darles propiedades específicas, por ejemplo, conseguir células solares que se “limpien” a sí mismas.

En el terreno de la vida cotidiana millones de cirugías oculares correctivas se realizan cada año usando estás técnicas, y se espera que en el futuro permitan realizar cortes ultrafinos incluso en tejidos vivos. Otras aplicaciones previstas para estos estallidos de luz incluyen la reducción del tiempo de radiactividad de desechos nucleares, el tratamiento de tumores, la mejoría de algunas técnicas de imágenes médicas, entre otras.

Laboratorio de Óptica y Fotónica en la Universidad de Antioquia.

El trabajo de la Universidad de Antioquia

En Medellín, hasta hace unos años, la Universidad Nacional contaba con un sistema de pinzas ópticas holográficas capaz de manipular espacialmente objetos micrométricos. Este sistema fue desarrollado en el marco del trabajo de maestría que realizaron la profesora María Isabel Álvarez de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Antioquia y el profesor Nelson Correa del Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones del Instituto Tecnológico Metropolitano.

En la Universidad de Antioquia, el Grupo de Óptica y Fotónica, en conjunto con el grupo de Biotecnología y los desarrolladores del sistema de pinzas ópticas holográficas, estructuraron un proyecto para construir un sistema de pinzas holográficas para la manipulación de microalgas. Aunque se buscaron recursos con el apoyo de Ruta N, hasta el momento no se ha podido acceder a la financiación que permita construir el sistema de pinzas.

En lo referente a los “láseres pulsados”, el Grupo de Óptica y Fotónica ha implementado una técnica para la determinación de las propiedades ópticas de materiales (en especial lo que los expertos llaman “propiedades no-lineales”). La técnica se conoce como f-scan y mide cambios en la intensidad de un “haz pulsado” a medida que el material pasa por delante suyo.

Reconocimiento a la mujer en la física

Por: Amalia Betancur, Grupo de Fenomenología de Interacciones Fundamentales, Instituto de Física, y profesora de la Universidad EIA. 

“La primera semana de octubre siempre es una época emocionante para nosotros los científicos; y no, no es porque entramos al mes de Halloween o porque la navidad está más cerca (aunque hay que decir que muchos nos emocionamos por esto también), sino porque en esta época se anuncian también los premios Nobel, los premios más importantes que existen en la ciencia.

Este año el Premio Nobel de Física ha llegado con sorpresas interesantes. Aunque es claro que todos los aportes distinguidos por el premio son importantes, lo que hace más especial el Nobel de este año es que Strickland, una mujer, lo haya ganado. Para poner esto en contexto, el Nobel de física ha sido otorgado desde 1901, y hasta ahora 209 científicos lo han recibido, pero de estos, solo tres (menos del dos por ciento) han sido mujeres. De hecho, la última mujer que lo había ganado lo obtuvo hace 55 años.

¿A qué se debe esta gran diferencia entre hombres y mujeres en física?  Algunos podrían pensar que en la física, las mujeres no tienen mucho qué hacer ni qué decir.  De hecho, hace muy poco, un reconocido profesor vinculado con el importante Centro Europeo de Investigaciones Nucleares (CERN por sus cifras en francés) expresó que "la física ha sido creada y construida por hombres" y agregó que a ella "no se entra por invitación". Lo que dijo se consideró tan ofensivo para las mujeres que fue suspendido del CERN.

Volviendo al asunto del desbalance entre mujeres y hombres laureados, vale la pena dar una mirada a algunos premios Nobel pasados. En 1974 Anthony Hewish recibió la mitad del premio por su trabajo con pulsares (objetos astronómicos muy compactas que giran rápido y emiten radiación) y aunque este descubrimiento se basó en el trabajo de su estudiante Jocelyn Bell, ella no fue galardonada. También está el caso de Otto Hahn quien en 1944 recibió el premio Nobel de química, aunque su trabajo había sido en colaboración con Lisa Meitner, y al parecer el rol de ella fue más fundamental que el de él. También hay casos de descubrimientos revolucionarios realizados por mujeres que, simplemente, nunca recibieron un Nobel; este es el caso de Vera Rubin y su descubrimiento de la materia oscura en las galaxias.

No creo entonces que pueda decirse que es la incapacidad de las mujeres para hacer física lo que ha llevado a esta gran diferencia. Lo que sí está claro es que el premio Nobel de Física de 2018 representa un avance importante para el reconocimiento de la mujer en este campo. Así lo dijo la misma Donna Strickland al reaccionar frente al premio: "Tenemos que celebrar a las mujeres en la física, porque ellas están ahí ...es un honor para mí ser una de esas mujeres".