Nobel de Física: cómo estudiar partículas sin destruirlas

Publicado por el Oct 9, 2012

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Serge Haroche y David Wineland, Premios Nobel de Física 2012

Y el Nobel de Física no fue para el bosón de Higgs. Demasiado pronto para que la academia sueca reaccione ante uno de los mayores descubrimientos científicos del siglo. Habrá que esperar, pues, a futuras ediciones para ver recompensados más de cincuenta años de esfuerzos en la búsqueda más compleja y costosa de la historia de la Física. En su lugar, el galardón más esperado recayó este año en el francés Serge Haroche y en el norteamericano David Wineland. Ambos, y de forma totalmente independiente, tienen el mérito de haber ideado sistemas para medir y manipular partículas individuales sin necesidad de que esas partículas se destruyan en el proceso.

Se trata de una vieja aspiración de la Física, dominada hasta ahora por el conocido "Principio de incertidumbre" según el cual no es posible conocer, al mismo tiempo, la posición de una partícula (su momento) y su velocidad. El problema es lógico. El propio sentido de la vista se basa en la recepción, en la retina, de una serie de fotones (las partículas que transportan la unidad mínima de luz) que excitan nuestros órganos visuales e inducen a la formación de una imagen en nuestro cerebro.

Ahora bien, ¿Qué ocurre si lo que queremos observar es un fotón individual? La única forma de hacerlo es enviando contra él otra partícula. Cuando ambas partículas colisionan, tendremos la información que buscábamos. Es como si la única forma que tuviéramos de ver un coche fuera la de enviar otro vehículo a chocar con él. Al producirse la colisión, sabríamos exactamente dónde estaba el coche, pero lo habríamos destruido en el proceso.

En su comunicado, la Academia Sueca explica que el premio se ha concedido por la obtención de "métodos experimentales que permiten la medida y la manipulación de sistémas cuánticos individuales". Tanto Haroche como Wineland (ambos de 68 años) trabajan en el campo de la Óptica Cuántica, en concreto en las formas en que interactúa la luz con la materia. Y sus logros, dice la academia, han abierto las puertas "a la construcción de un nuevo tipo de computadoras super rápidas basadas en la Física Cuántica". Otra aplicación práctica del trabajo de los dos premiados será la construcción "de relojes extremadamente precisos que podrían sentar las bases para un nuevo estándar del tiempo". Los nuevos relojes serán cientos de veces más precisos que los actuales relojes de cesio.

Serge Haroche y David Wineland, han conseguido, en definitiva, abrir las puertas a toda una nueva era de experimentos en física cuántica, basada en la posibilidad de observar directamente las partículas individuales sin necesidad de destruirlas. Hay que tener en cuenta que en el extraordinario mundo de las partículas subatómicas las leyes clásicas de la Física, las que podemos ver cada día en acción a nuestro alrededor, dejan de funcionar. Y que las partículas pierden todas sus propiedades cuánticas en el mismo momento en que interactúan con nuestro "mundo real".

Por eso, hasta ahora no ha sido posible observar directamente los extraños y complejos fenómenos predichos por la Física cuántica, y los investigadores han tenido que conformarse con experimentos que ponen de manifiesto esas propiedades, pero que no permiten verlas directamente. Sin embargo, Haroche y Wineland han conseguido, con sus avances, una forma de observar directamente los estados cuánticos, hasta ahora totalmente inaccesibles.

Sus métodos, en efecto, permitirán que a partir de ahora los físicos puedan examinar, controlar y contar individualmente las partículas que estudian. Aunque sus logros se han llevado a cabo de forma independiente, ambos tienen mucho en común. Wineland, por ejemplo, ha desarrollado un sistema para "atrapar" átomos eléctricamente cargados (iones), para medirlos y estudiarlos después a sus anchas utilizando fotones (luz). Haroche, por su parte, ha logrado justo lo contrario: una "trampa" para fotones (partículas de luz), que una vez encerrados puede estudiar enviando átomos al interior de la "jaula" en la que ha conseguido aislarlos.

La aportación de Wineland

En el laboratorio de David Wineland en la Universidad de Colorado en Boulder, los iones (átomos cargados eléctricamente) son capturados y encerrados en una "trampa" hecha de campos eléctricos. Las partículas quedan aisladas por completo del calor y la radiación exteriores y, a partir de ese momento, es posible observarlas y experimentar con ellas . Eso si, en condiciones de vacío y a temperaturas extremadamente bajas. Uno de los secretos del método de Wineland es el uso de pulsos de laser (a escala subatómica) para suprimir el movimiento de los iones capturados por la trampa. De esta forma, los iones son "anestesiados" (inducidos a su estado mínimo de energía), lo que hace posible estudiarlos.

El "truco" de Haroche

Haroche, por su parte, emplea un método muy diferente para acceder a los misterios del mundo subatómico. En su laboratorio de París, los fotones quedan atrapados sin remedio en el hueco de tres centímetros que hay entre dos espejos, rebotando sin cesar del uno al otro. Por supuesto, no se trata de espejos normales. Están fabricados con materiales superconductores y enfriados a temperaturas que están apenas por encima del cero absoluto (-273 grados centígrados).

Se trata de los espejos superconductores más finos del mundo, y son tan reflectivos que incluso un fotón individual (la unidad mínima de la luz) rebota de uno a otro por lo menos durante una décima de segundo antes de ser absorbido. Un tiempo récord que permite estudiarlo con comodidad y durante el que cada fotón individual recorre, a la velocidad de la luz, cerca de 40.000 km de distancia.

En física de partículas, una décima de segundo es una eternidad. Y más que suficiente para llevar a cabo sobre el fotón atrapado cuantas observaciones y manipulaciones sean necesarias.

Serge Haroche

Nació en 1944 3n Casablanca, Marruecos. Se graduó en la ENS (Ecole Normale Supérieure) y recibió su doctorado de la Universidad Paris VI en 1971. Tras una estancia de dos años en la Universidad de Standford, fue profesor, en 1975, de la Universidad Paris VI, cargo en el que permaneció hasta 2001, cuando fue nombrado profesor del Colegio de Francia (en la especialidad de Física Cuántica).

Es miembro de las más prestigiosas instituciones del mundo de la Física y la mayor parte de sus investigaciones se han realizado en los laboratorios Kastler Brossel at ENS, donde aún trabaja en la actualidad. Ha recibido numerosos premios internacionales (entre ellos la Medalla de Oro del CRNS francés en 2009, la medalla del Instituto Franklin en 1993, el premio Humbold en 1992 o el premio de la Sociedad Europea de Fisica en 2002) y es miembro de la Academia Francesa de las Ciencias y de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos.

David Wineland

Nació en 1944 en Milwaukee, Wisconsin y trabaja en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en la Universidad de Colorado en Boulder. Se graduó en la Universidad de California en Berkeley en 1965 y se doctoró en 1970 en Harvard. Trabajó en el departamento de Física de la Universidad de Washington antes de pasar al NIST en 1975. Es asociado de la Sociedad Americana de Fisica, de la Sociedad Americana de Óptica y pertenece a la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos desde 1992.

Durante su carrera, ha recibido numerosos galardones y reconocimientos, entre ellos la Medalla Nacional de Ciencias en 2008 o  la Medalla Benjamin Franklin en 2010 (junto al español Ignacio Cirac).

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