Ursula Keller
«Estamos entrando en una región del tiempo que nunca antes habíamos visitado»
El trabajo de esta física ha sido crucial para desarrollar los láseres que se usan hoy en día en industria, smartphones y medicina. También ha creado un atto-reloj, un reloj con una precisión de la trillonésima de un segundo
Ursula Keller (Zug, Suiza, 1956) es física en la Escuela Politécnica Federal de Zurich (ETH). Es una pionera en la invención de láseres ultrarrápidos, que crean pulsos de luz tan breves que se repiten trillones de veces por segundo. Estos son capaces de medir los fragmentos de tiempo más cortos posibles, y, por tanto, redefinen cada minuto y segundo que pasa : nunca antes se había medido el tiempo con tanta precisión.
Keller vino a Madrid para impartir una conferencia en la Escuela Nicolás Cabrera (UAM), a invitación de la Fundación BBVA. Acaba de ganar un relevante premio, el « European Inventor Adward Lifetime Achievemet », por la extraordinaria importancia de sus investigaciones. Gracias a sus múltiples trabajos en tecnología láser, empezando por SESAM, un dispositivo que crea estos pulsos ultrarrápidos, la luz se usa en multitud de aplicaciones, como biomedicina, smartphones, corte y soldadura o diseño de materiales. Hoy en día, el mercado global de láseres ultrarrápidos se valora en más de 2.100 millones de euros, y se espera que se multiplique por cuatro en solo cinco años.
Mientras los segundos pasan, algo que parece entristecerle, Keller explica cómo estos láseres pueden aprovecharse para crear un reloj de precisión extraordinaria: el atto-reloj. El instrumento es tan preciso que puede detectar las perturbaciones sobre la gravedad causadas por una nube . Lo más interesante es que al poder medir fracciones de tiempo de trillonésimas de segundo (es decir, de un attosegundo), permite entrar en una nueva dimensión: gracias a esto se puede medir el tiempo que tardan los electrones en moverse, se podrían crear ordenadores súperpotentes o se podría comprobar con una precisión exquisita si algunas constantes de la naturaleza son realmente tan constantes.
-Ha creado el atto-reloj, un instrumento con la capacidad de medir el tiempo con una precisión increíble. ¿Qué es para usted el tiempo?
El tiempo es un proceso continuo que está ocurriendo y sobre el que no tenemos ningún control, lo cual es bastante malo. Toda nuestra vida está basada en el hecho de que nuestros sistemas envejecen, mientras el corazón sencillamente siga latiendo. Controlar esto sería fascinante, supondría entrar en una dimensión completamente nueva.
-Ahora hay un debate sobre si debemos o no mover el reloj hacia delante o hacia atrás en Europa...
(Ríe). Realmente esto no tiene mucho que ver con el atto-reloj, es más bien una decisión política. Pero, para ser sincera, la idea de cambiar la hora me parece muy desfasada y bastante innecesaria. En todo caso se debería hacer en todo el mundo a la vez. Por cierto, recuerdo que en Suiza hubo polémica porque no se cambió la hora durante un año. Los granjeros decían que era malo para las vacas.
«No creo que haya un límite en la precisión con la que podemos medir el tiempo»
-¿Hay un límite en la precisión con la que se puede medir el tiempo?
¿Quién dice que hay un límite? No creo que lo haya. Solo hay un límite en la medición, sobre todo en Mecánica Cuántica, donde la medida afecta al resultado. La verdad es que creo que vamos a pasarle muchos problemas a la generación siguiente (ríe). Y siempre que aprendemos a medir con mayor precisión, descubrimos algo nuevo.
-¿Cómo funciona este atto-reloj?
El atto-reloj define el tiempo con el número de oscilaciones de un haz láser polarizado de forma circular . La luz es una onda electromagnética que tiene un campo eléctrico y uno magnético que oscilan en perpendicular. La luz láser normalmente está polarizada linealmente, de forma que el campo eléctrico oscila en un plano. Pero nosotros podemos lograr que tenga una polarización circular: por eso, este campo gira (lo indica con el dedo) a la vez que se propaga por el espacio. De esta forma, el vector que define ese campo, que sería como una manecilla, gira una vez cada 10^-15 segundos (un femtosegundo). Por eso, si medimos el tiempo así, el error que obtenemos está definido por la duración de una oscilación.
-¿Es más preciso que otros relojes?
Sí. Por ejemplo, el reloj atómico de un GPS –que evita que cometa errores– oscila a 9 gigaherzios (GHz, miles de millones de herzios). ¡Es muy preciso! Pero este atto-reloj oscila a cientos de teraherzios (cientos de miles de gigaherzios).
«Estamos entrando en una región del tiempo que nunca antes habíamos visitado»
Gracias al atto-reloj, podemos medir procesos muy rápidos. Desde los últimos diez años estamos entrando en una región del tiempo que nunca antes habíamos visitado.
-¿Para qué se puede usar?
Nuestro equipo de la ETH lo ha empleado para medir el tiempo de tunelización de los electrones durante la ionización de átomos de helio y argón –Keller explica que nunca se ha podido medir este tiempo, y que esta tunelización es un proceso de la Mecánica Cuántica en el que las partículas atraviesan barreras y tienen un comportamiento prohibido por la Mecánica Clásica , «como si yo atravesara la puerta», en sus palabras–. Además, podemos tratar de resolver la dinámica temporal de los electrones en los materiales para después controlar las reacciones químicas. Al manipularlos podemos cambiar las propiedades de los materiales, y eso puede aprovecharse para cualquier aplicación.
-Entiendo que con él se pueden medir ese y otros fenómenos cuánticos. ¿Hay algo más?
«Esperamos medir las constantes físicas fundamentales con mayor precisión»
Una de las esperanzas que tenemos es medir constantes físicas fundamentales –las que explican las verdades básicas de la naturaleza, tal como explica– con mayor precisión. Es posible que al hacerlo descubriéramos algún cambio. ¡Esto sería rompedor! Ninguna teoría predice nada, y cambiaría todos los estudios desde entonces. Esto podría pasar en Cosmología, por ejemplo. Asumimos que las leyes son iguales ahora y al comienzo del Universo... ¿Y si no fuera así?
-¿Hacer estas medidas es difícil?
«Debemos conocer la Mecánica Cuántica para saber dónde está el botón de inicio y de final»
Bueno, no es como apretar el botón de un cronómetro. Aquí debemos aprender cómo es ese botón en el mundo de la Mecánica Cuántica. Debemos conocerla perfectamente para saber dónde está el botón de inicio y de final. Además, en el mundo de la Física Cuántica la medición tiene influencia en el resultado. Por eso es necesario conseguir que el reloj esté ahí pero que no afecte al proceso.
-Me imagino que al ser tan preciso, el reloj será muy sensible a las perturbaciones.
Sí. Se pueden conseguir variaciones en el resultado con solo moverlo unos centímetros, a causa de los cambios en la aceleración de la gravedad. También podemos detectar si una nube pasa por encima del laboratorio –esto también cambia muy ligeramente la atracción gravitatoria sobre un punto–. Realmente es muy preciso.
Hay gente que espera usarlo para medir fluctuaciones en la gravedad. Yo creo que si se pudiera enviar al espacio para evitar perturbaciones, podríamos buscar cambios en constantes físicas fundamentales. La humanidad debería embarcarse en esa tarea.
-Usted ha recibido el premio «European Inventor Adward Lifetime Achievemet», por sus trabajos en el desarrollo de los pulsos de láser ultrarrápidos. ¿Por qué son tan importantes estos?
Cuando empecé a trabajar en el láser –en 1992– no era posible emitir impulsos cortos, y se suponía que era imposible hacerlo. Pero sencillamente, descubrí que con un espejo semiconductor (esto se llama SESAM , de «Semiconductor Saturable Absorber Mirror»),era posible crear impulsos ultracortos, estables y mejores.
Es un dispositivo muy sencillo y de gran robustez que funciona en cualquier láser. Todos los láseres comerciales lo adoptaron.
-¿Cuáles son sus aplicaciones?
Sirve para muchísimas cosas. Una aplicación muy importante es el procesamiento de materiales –por ejemplo para cortar o soldar piezas de metal –. Se puede aprovechar para la ablación, que permite evaporar el material sin fundirlo o dañarlo: así es como se puede cortar materiales como vidrio, cerámica o materiales mixtos.
También podemos usar para tratar la superficie de materiales para darle diferentes funcionalidades, como atraer agua o rechazarla. También se podría hacer para evitar la adhesión de virus o bacterias . ¡Imagínate si se pudiera usar en las superficies del transporte público para evitar las enfermedades!
-Tengo entendido que también puede usarse en biomedicina, ¿no?
Sí, por ejemplo se usa en LASIK ( cirugía ocular por láser ), para cortar con precisión en operaciones de córnea. Se puede introducir el láser dentro del organismo para atacar células tumorales , o para detectar la presencia de marcadores sobre ellas.
También es útil en el campo de la metrología (toma de medidas). Un reciente premio Nobel –el entregado a John Hall y Theodor Hänsch en 2005 por medir la longitud de onda de la luz con una precisión de 15 dígitos– se valió de los pulsos de láser muy cortos. Nosotros estamos trabajando ahora en un sistema de detección de infrarrojos para detectar fugas de metano en gasoductos, como los que van de Rusia a Europa.
-¿Se puede aprovechar en ordenadores?
Sí, nosotros hemos recibido fondos de Intel para crear láseres de impulsos cortos, de 1 a 100 gigaherzios, para crear relojes. Ten en cuenta que todo el progreso de los ordenadores consiste en aumentar la tasa del reloj: cuanta más velocidad, mayor capacidad de realizar operaciones. El problema es que esto provoca que los procesadores se calienten demasiado. Para evitarlo, los ordenadores usan varios núcleos que trabajan por separado.
«Con el láser podríamos llevar los ordenadores de mesa al nivel de los supercomputadores»
El futuro es que los núcleos trabajen de forma sincronizada, operando en paralelo. Podrías poner en paralelo 1.000 núcleos y sincronizarlos con un mismo reloj. Creo que esta es una de las arquitecturas con las que podríamos llevar los ordenadores de mesa al nivel de los supercomputadores. No creo que estemos todavía cerca del límite de los ordenadores normales.
-¿También se usa en teléfonos?
Esta tecnología también puede usarse para medir pequeñas variaciones de distancia con una precisión extraordinaria. Esto se usa en el sistema de reconocimiento facial del Iphone 10 : este es primer stmartphone que tiene un láser real montado, uno basado en semiconductores. Es capaz de trazar y reconocer tu rostro, y de saber si estás sonriendo. Si, más adelante, pudiéramos hacer lo mismo pero a 100 metros de distancia, podríamos reconocer la cara de las personas que visitasen un campo de fútbol...
-¿Y eso no le da un poco de miedo?
No tiene por qué. Cualquier tecnología puede usarse para el bien y para el mal. Yo soy optimista: la tecnología siempre ha mejorado nuestra vida. ¡Mira si no cómo estaríamos sin ella! Creo que tenemos que seguir trabajando en que sigamos unos criterios éticos cuando usemos nuevas herramientas tecnológicas. Pero esto no nos debe de impedir desarrollar tanta tecnología como sea posible.
Por eso creo que es muy importante que la tecnología esté en mano de las universidades, porque estas publican sus avances en acceso abierto, y todo el mundo sabe dónde está la frontera del conocimiento. Es esencial que los países den apoyo a la ciencia para que las universidades lideren por encima de las empresas privadas.
-¿Recuerda por qué estudió física?
Para mí fue una decisión muy sencilla, porque era muy buena en matemáticas y muy mala en lengua. Estaba interesada en saber cómo funciona el mundo y la naturaleza, así que la física fue el camino más lógico. Me parece algo precioso. Siempre se intentan reducir lo que observas a unas pocas leyes: es casi como buscar las verdades básicas.
-Usted se convirtió en la primera mujer profesor de la ETH. ¿Cree que ha aumentado el acceso de la mujer a la Universidad, sobre todo en el campo de la Física?
Creo que hay un sesgo consciente y otro inconsciente contra la mujer. Hay modelos de rol y pocas mujeres en puestos destacados de la Física. Y no creo que la mujer esté menos cualificada para ello, por su propia naturaleza: es que no se les alienta ni se les da apoyo. El origen de esto está en la sociedad y sus valores, y en que el entorno no sea nada amistoso. Y también ocurre que en el proceso de revisión por pares se pone más en tela de juicio a la mujer. Y, a medida que avanza más, se encuentra con más y más trabas.
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