Viaje al corazón de la materia

Viaje al corazón de la materia

Publicado por el Oct 27, 2015

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Ignacio Cirac, en su despacho del Instituti Max Planck

ABC visita el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, en Múnich, en el que trabaja un grupo de brillantes jóvenes españoles.

¿Por qué una mesa no puede estar en dos sitios a la vez? Aunque la respuesta parezca obvia para la inmensa mayoría, en realidad no lo es. En absoluto. De hecho, la mesa, o el coche, o el ordenador, o cualquier otro objeto que se nos ocurra, están hechos de «cosas» que sí que pueden estar en dos lugares a la vez. «Cosas» extraordinariamente pequeñas y que llamamos partículas subatómicas, los constituyentes últimos de la materia de la que se compone todo lo que nos rodea, incluso nosotros mismos. Y, volviendo a la pregunta, el hecho de que esas partículas sean capaces de comportarse de una forma que va más allá de cualquier clase de intuición, mientras que los conjuntos de partículas no pueden, es uno de los mayores misteriosde cuantos aborda la Ciencia.

El Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, en las afueras de Múnich, es uno de los «templos» dedicados a esa búsqueda. Allí, y bajo la dirección del español Ignacio Cirac, 250 investigadores utilizan los medios más sofisticados que la tecnología pueda proporcionar para llegar cada vez un poco más lejos. A menudo las exigencias de los experimentos son tan altas que es necesario desarrollar nuevos dispositivos «ad hoc». Y usarlos según dicta el que quizá sea el más preciado de nuestros dones: el de la imaginación. ABC ha tenido el privilegio de compartir unos días de trabajo con los investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, entre los mejores del mundo en su especialidad.

En la intimidad de su despacho, grande pero sobrio a la vez, Ignacio Cirac explica que «aquí trabajamos 350 personas, de las que unas 250 son científicos». Con un presupuesto de 22 millones de euros anuales, aportados por el estado alemán, «todas las personas a las que contratamos son excepcionales, lo mejor de lo mejor». Entre ellos hay, también, seis españoles.

«En general –explica Cirac– estudiamos los fenómenos cuánticos relacionados con la luz. Y lo hacemos en las condiciones más extremas, para ver qué es lo que ocurre. Conocemos fenómenos muy extraños, y podemos describirlos, aunque no sabemos aún cómo ni por qué se producen».

En una trillonésima de segundo

La primera parada es en la División de Attosegundo. Un Attosegundo equivale a la trillonésima parte de un segundo (10-18 s), y resulta que incluso en esas escalas de tiempo extraordinariamente pequeñas pueden ocurrir hechos excepcionales.

Nos acompaña Goulielmakis Eleftherios, que dirige uno de los grupos de investigación en esta división. La sensación al entrar en el laboratorio es la que tendríamos al entrar en un taller lleno de maquinaria y herramientas muy poco familiares. Pero aquí, protegidos por gruesas paredes de hormigón, están los láseres más potentes del mundo. Láseres que concentran una cantidad tal de energía que consiguen acelerar la materia, dentro de cualquier material, a más velocidad de la que lo hace un acelerador de partículas.

Aquí se generan láseres con pulsos ultracortos, hasta quince órdenes de magnitud más cortos que un laser convencional. Así, mientras que otros láseres lanzan pulsos con intervalos de milisegundos (milésimas de segundo) o, si son muy buenos, de picosegundos (billonésimas de segundo), aquí se ha conseguido emitir pulsos en el orden de los attosegundos (trillonésimas de segundo).

¿Pero para qué se puede utilizar un láser tan rápido? La idea es que sirvan para obtener imágenes de procesos que se producen en esa escala de tiempo tan increíblemente breve. Con esos láseres se puede, en efecto, iluminar algo durante espacios muy cortos de tiempo y estudiar, por ejemplo, el movimiento de los electrones alrededor de los átomos, miles de veces más rápidos que una bala, y capturar una secuencia entera de imágenes de un electrón en movimiento y que en total dura apenas unas pocas trillonésimas de segundo. «Los láseres de pulso ultracorto –explica Eleftherios– cruzan una nueva frontera y permiten ver cosas que nunca había visto nadie».

Epectroscopía cuántica contra el terrorismo

Cambiamos de división y pasamos al reino de la Espectroscopía Cuántica, que dirige el Nobel de Física Theodor Haensch. Una foto en la entrada de su despacho muestra a Haensch junto a los miembros de su grupo. Algunos de ellos también han sido ya laureados con el Nobel, otros dirigen centros de investigación punteros en todo el mundo. Nos acompaña Nathalie Picqué, investigadora permanente del Max Planck, que nos explica cómo su trabajo puede servir «para detectar ataques terroristas, pero también planetas o estrellas lejanas, o para ver, en directo, cómo suceden algunos procesos biológicos».

El espectrógrafo cuántico, en efecto, es tan detallado que permite, por ejemplo, analizar en el aire y en tiempo real hasta cien moléculas diferentes y detectar e identificar cualquier molécula extraña o «que no debería estar ahí». Algo que en el futuro podría resultar extremadamente útil para la seguridad de múltiples procesos industriales, o para prevenir, por ejemplo, un ataque terrorista con gas. La espectroscopía se basa en el análisis del color que emiten los distintos elementos químicos. Como si de una huella digital se tratara, a cada elemento le corresponden unas bandas de color en un orden determinado. Así, cuando un espectroscopio detecta esos patrones de color, se sabe con exactitud a qué elemento pertenecen. Pero la espectroscopía cuántica va mucho más allá de los espectroscopios convencionales.

A Haensch le dieron el Nobel en 2005 por desarrollar algo llamado «peine de frecuencias», un dispositivo que permitirá, por ejemplo, construir relojes atómicos infinitamente más precisos que los actuales. Tanto, que sólo se adelantarían o retrasarían una milésima de segundo en toda la historia del Universo (13.700 millones de años).

En busca del simulador cuántico

La cuarta de las divisiones del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica está dedicada a las simulaciones. Cuánticas, por supuesto. De la mano de Sebastian Hild, otro estudiante de postgrado, entramos en el escurridizo mundo de los estados de la materia.

Tal y como indica su nombre, en este departamento el objetivo principal son los simuladores cuánticos. En pocas palabras, se trata de lograr la versión cuántica de los ordenadores analógicos que se usan para hacer simulaciones de realidades complejas. Serían ordenadores dedicados, diseñados específicamente para una tarea concreta. Solo que mucho más poderosos que cualquiera de los que se hayan fabricado hasta el momento.

Irónicamente, y aunque podemos simular el vuelo de un avión, no podemos simular la interacción entre cien electrones. La razón es que hay tantas posibilidades, tantas variables, que no existe ordenador en el mundo capaz de calcularlas. Por no decir que, además y para terminar de complicarlo todo, cada uno de esos electrones puede hacer varias cosas a la vez.

Por eso se necesita un simulador cuántico. Algo que aún no se ha conseguido, pero en el que esta división del Max Planck trabaja con ahínco. Para lograrlo, los investigadores han ideado un sistema de muchos átomos ordenados en redes ópticas (como «hueveras de luz» en las que cada átomo ocupa su sitio). Y una vez confinados ahí, es posible hacer que esos átomos se relacionen de la forma en que se quiera, y que se comporten del modo en que predicen las ecuaciones que los científicos pretenden resolver y que ningún ordenador analógico podría. Así, en lugar de calcular un número de posibilidades tan grandes que tienden a infinito, los simuladores cuánticos permitirían «ver» directamente la solución.

Los dominios de Cirac

Y llegamos a la quinta y última división, la de Teoría, que es precisamente la que dirige Ignacio Cirac. A diferencia de las otras cuatro, ésta es una división «transversal», ya que su trabajo afecta a menudo al del resto. Y si en las demás divisiones se jactaban de no perseguir ningún fin práctico, la de Teoría es, sin duda, la más abstracta de todas. En la división de Teoría no hay maquinaria, ni láseres, ni grandes y sofisticados laboratorios. Solo pizarras, ordenadores y sesiones continuas de tormentas de ideas durante las cuales los investigadores discuten sin cesar. Es aquí, por cierto, donde podemos encontrar la mayor concentración de españoles de todo el Instituto.

Españoles en la cima de la Ciencia

Se trata de un pequeño grupo de jóvenes excepcionales y que han logrado cumplir su sueño de trabajar e investigar en uno de los centros pioneros de la Física mundial. Todos ellos son españoles y están dispuestos a grabar sus nombres en la historia de la Física.

1) Alejandro Gonzalez Tudela. Murcia, 29 años

Doctorado en Física por la Universidad Autónoma de Madrid.

Fue el primero de su promoción y segundo de España.

Mientras hacía el doctorado, estuvo en el Max Planck tres meses con una beca. Al terminar le contrataron. Lleva dos años en el Instituto y ahora le han dado dos becas, la Marie Curie europea y la Von Humboldt alemana. Estará aquí, por ahora, dos años más.

Alejandro está en el grupo teórico. Con Cirac. Y en concreto dentro del subgrupo de Óptica cuántica en el que, sin llegar a ser prácticos, se busca la mejor forma de implementar las ideas que se desarrollan en el instituto.

2) Carlos Navarrete. Valencia, 32 años

Doctorado en Física por la Universidad de Valencia

En 2008 vino a Munich por primera vez y estuvo tres meses. Luego fue a Melbourne, en Australia y después al MIT, en Estados Unidos. Al terminar decidió que quería trabajar en Óptica Cuántica, y que el mejor sitio era junto a Ignacio Cirac.

Su interés puede resumirse en una sola pregunta: «¿Por qué esta mesa no puede estar en dos lugares a la vez?». Para averiguarlo, desarrolla «sistemas optomecánicos», en los que intenta combinar las leyes clásicas de la física con las de la Mecánica Cuántica. El objetivo es conseguir llevar un objeto «clásico», hecho de millones de átomos, a un estado cuántico. Y a partir de ahí estudiar fenómenos cuánticos en un objeto macroscópico.

3) Gema de las Cuevas. San Cugat, 30 años

Estudió Física en la Autónoma de Barcelona y se doctoró en Innsbruck.

Pidió ir a Munich, porque ese era su sueño. Y lleva ya tres años y medio cumpliéndolo. Con suerte, podría estar en el Max Planck hasta dos años mas. Según sus palabras, «Es mejor de lo que habría podido imaginar nunca».

Trabaja en la división de Teoría, en el Grupo de información cuántica. Su labor se centra en los aspectos más matemáticos. Es decir, en la búsqueda de matrices y fórmulas que permitan describir los problemas cuánticos de forma matemática.

4) Mari Carmen Bañuls. Valencia, 41 años

Estudió Física en Valencia, donde hizo su tesis doctoral. Pasó después a la Politécnica, en la misma ciudad, donde hizo una tesis en Informática.

Lleva ya nueve años en el Max Planck, donde es investigadora permanente. Ocupa, de hecho, el único puesto fijo que se permite en cada una de las cinco divisiones del Instituto.

«Hay muchas cosas en los experimentos que no sabes explicar —afirma Mari Carmen–. Y hay que entender muy bien lo que se ve para poder usarlo después. Por desgracia, hay preguntas que no podemos contestar aún.  Se sabe lo que hacen los átomos, pero no cómo lo hacen». En su día a día, se enfrenta a muchos problemas de física diferentes. Y trata de desarrollar nuevas herramientas (matemáticas) que permitan describir lo que están viendo.

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