Aunque es “joven” (nació hace apenas ocho años), el Laboratorio de Iones y Átomos Fríos (LIAF) del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA acumula récords. En 2019, poco antes de su inauguración formal, sus integrantes celebraron al ver en la pantalla de su computadora una señal de fluorescencia: indicaba que habían logrado por primera vez «atrapar» un ion individual (es decir, un átomo cargado eléctricamente), una hazaña de la física experimental que solo son capaces de realizar algunas decenas de equipos científicos del mundo.
El LIAF debutó con el primer ion atrapado en América Latina. La ‘víctima’ fue un átomo de calcio que cayó en una ‘trampa’ ubicada en el interior de una cámara de ultra alto vacío que se encuentra sobre una mesa óptica, ubicada en el primer piso del Pabellón 1 de la Ciudad Universitaria. Y ahora vuelve a hacer historia al medir por primera vez en el mundo la velocidad de un solo átomo cuando lo impacta un haz láser estructurado en forma de vórtice (que gira como un sacacorchos). El logro es tan notable que se publicó en la revista más importante de la especialidad, Physical Review Letters (journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.183601), los tres evaluadores lo aprobaron en la primera ronda (algo muy poco común) y mereció un comentario destacado en la revista Physics (physics.aps.org/articles/v17/s133).
“Es el primer trabajo con resultados científicos fuertes, nuevos, originales que publicamos en el laboratorio –cuenta Christian Schmiegelow, que lideró el trabajo también firmado por Nicolás Nuñez Barreto (primer autor), Muriel Bonetto, Marcelo Luda y Cecilia Cormick–. No es que no hubiéramos publicado otras cosas, pero ésta es la primera vez que podemos decir que con un equipo completamente integrado por gente formada en Buenos Aires, con experimentos hechos totalmente en la Argentina, hicimos algo que tiene impacto y relevancia científica”.
“Christian y su equipo lograron mediciones que ponen en evidencia las extrañas propiedades del efecto Doppler rotacional en iones fríos y atrapados, pero en este caso no solo la física es notable –afirma Juan Pablo Paz, ex Secretario de Articulación Científica y Tecnológica del ex Ministerio de Ciencia y Tecnología, y uno de los fundadores del laboratorio, que no participó en los experimentos–. La gran particularidad de este trabajo es que se trata de la primer publicación en una revista de alto impacto enteramente concebida y realizada en el LIAF. Es una verdadera hazaña hacer física experimental de excelencia hoy en nuestro país, y ellos lo lograron”.
(Esquema de Nicolás Nuñez, primer autor del trabajo)
Lo hicieron también con un sólo átomo, que atraparon y sostuvieron en una “trampa” electrodinámica que les permite controlar cómo se mueve con respecto a la dirección a la que llega la luz, si se sacude en una dirección o en otra, y que pueden mantener vibrando en distintas direcciones de manera controlada.
Para eso fue necesario diseñar un haz de luz láser que, a diferencia de los habituales (en los que las ondas viajan juntas, con sus picos alineados o en fase) está “estructurado”: que cuando “pega” sobre el átomo no es uniforme.
“Estos haces son como un remolino, como una hélice; es decir, que los fotones se van arremolinando y cuando pegan contra el objeto una parte es más oscura y otra más clara –explica Schmiegelow–. La onda no viaja en forma lineal, sino como haciendo círculos alrededor de su eje principal. Y son estos círculos lo que nos permite sensar la velocidad de un objeto que se mueve en forma transversal o perpendicular. En este caso, medimos la velocidad de algo muy, muy chiquito que es un único átomo, algo que nunca se había hecho”.
Con estos “haces de luz estructurados de tipo vórtice”, los investigadores midieron de qué forma el “efecto Doppler rotacional” se comporta de manera diferente del que se verifica en ondas planas. Este efecto (llamado así en honor al físico y matemático austríaco Christian Andreas Doppler) es el cambio de frecuencia aparente de una onda producido por el movimiento relativo de la fuente respecto de su observador. Es lo que hace que el sonido de una ambulancia se vuelva de más agudo a más grave cuando pasa a nuestro lado.
“En el caso standard, el haz detecta la velocidad a lo largo de su dirección de propagación, pero no transversalmente –destaca Schmiegelow–. Por ejemplo, si una ambulancia está viniendo hacia vos o se está alejando, escuchás que cambia el sonido de la sirena. Ahora, si estuviera desplazándose en círculo alrededor tuyo, oirías siempre el mismo tono. Lo mismo ocurre con un radar de velocidad; puede detectar la velocidad de un automóvil que se aproxima o se aleja, pero no cuando se mueve en círculos a su alrededor. El radar lo que hace es mandar una onda, que pega sobre el vehículo en movimiento y vuelve. Si el vehículo está en movimiento en la dirección en la que esta onda va y vuelve, entonces la onda se estira o se agolpa según la velocidad del objeto en movimiento. Pero si el objeto se mueve perpendicular a la dirección de la onda, la onda ni se da cuenta, lo ve como algo quieto. Sin embargo, los haces tipo vórtice pueden detectar el movimiento transversal”.
Los científicos se pusieron a estudiar este fenómeno por una curiosidad que los intrigaba: en los haces tipo vórtice, cuanto más cerca del centro del vórtice está el átomo, más fuerte es el efecto, que se vuelve infinitamente fuerte en el centro del haz: “Pudimos ver que efectivamente existe esta divergencia y medirla –se entusiasma Schmiegelow–. En realidad, estábamos (y estamos todavía) tras la respuesta a otra pregunta. Es algo así como lo que ocurre cuando uno le tira a alguien una pelota y, si esa persona está en un barquito o algo que se mueve libremente, se desplazará hacia atrás, y si la devuelve se va a desplazar en otra dirección. Estos haces pueden hacer lo mismo: además de sensar el movimiento de nuestro átomo, lo que hacen también es dar patadas, o sea, empujar a la materia, hacia adelante y hacia atrás”.
Hace alrededor de una década, el [físico teórico y matemático británico] Michael Berry se dio cuenta de esto y postuló que si un átomo estuviera muy cerca del centro de uno de estos haces recibiría una patada de costado aún más grande que la que puede recibir de frente. “Imaginate un remolino de agua –propone Schmiegelow–. Cuando estás yendo hacia el centro, el remolino gira cada vez más y más rápido… Pero además está avanzando, viene y te pega. Te empuja para atrás, pero además, te gira. Puede ser que te dé una patada gigante y te pongas a rotar rapidísimo. Eso todavía nadie lo probó, es una conjetura: que de hecho tiene que haber una ‘super patada’”.
El primero que observó que la luz le transfiere “momento” [en física: masa por velocidad] a la materia fue Johannes Kepler (1571-1630) cuando descubrió que las colas de los cometas no apuntan en la dirección contraria a la que van avanzando, sino alejándose del Sol, porque las partículas que constituyen ese gas son empujadas por la radiación solar.
“Es lo que se conoce como presión de radiación –explica el científico–. Sería el análogo, en el nivel de la luz y los átomos, de alguien que recibe una pelota. Lo que describió Michael Berry es que si el fotón viene como un vórtice le puede pegar una patada [al átomo] no solo en la dirección en la que viene avanzando, sino en la que viene girando, transversal a la dirección de propagación, que es aún más fuerte que la patada hacia adelante. Fue en la búsqueda de esta ‘zanahoria’ que nos encontramos con este otro efecto: que no solo podés cambiarle la velocidad al átomo, sino que podés medir su velocidad. Que confirma lo que está en la base de la física cuántica: casi cualquier cosa que sirva para cambiar algo también te permite medirlo. Por ejemplo, si tenés algo que te sirve para medir la temperatura, también te permite cambiarla. Y viceversa. Una heladera enfría lo que está adentro. Ahora, si sabés cuánta fuerza está haciendo el motor, también sabes cuál es la diferencia de temperatura entre lo de adentro y lo de afuera. ¡De algún modo la heladera también es un termómetro! Esta es la base de cómo concebimos el mundo, que cuando queremos conocer el estado de algo, siempre vamos a intervenirlo. Lo que encontramos nos indica que efectivamente la predicción de Berry tiene que ser cierta, pero esa medición es más difícil. Esperamos poder hacerla en los próximos año y medio, o dos”.
Schmiegelow y Juan Pablo Paz
La física es una ciencia que se dedica a estudiar distintas interacciones entre objetos de la naturaleza y cómo unos cambian a otros. Durante muchos años, se había soslayado la importancia de la estructura de la luz. A mediados de los 80, se hicieron los primeros trabajos experimentales con micro y nanopartículas atrapadas en pinzas ópticas con haces estructurados, pero sin mucho resultado. “Entre otras cosas, porque el tamaño de un átomo es 10.000 veces menor que el de los haces estructurados –afirma Schmiegelow–. Muchos decían que no había posibilidades de que eso sucediera. Pero a lo largo de diferentes trabajos fuimos mostrando que efectivamente la estructura de un haz cambia la forma en la que la luz interactúa con la materia. Esta nueva forma de interacción es una herramienta novedosa que nos permite controlar y medir qué están haciendo los átomos”.
“Siento orgullo de haber sido parte de esta historia, pero por las dudas aclaro que integro el equipo de autores del trabajo ni de ninguna de las publicaciones experimentales aparecidas hasta ahora–dice Paz–. Desde 2015 hasta hoy, Christian y sus estudiantes publicaron mucho, muchísimo diría yo. Trabajos teóricos, propuestas y resultados experimentales, alguno de los cuales fue publicado también en una revista de alto impacto, pero que se hicieron en otros laboratorios con la participación de integrantes del equipo.Eso seguirá, pero ahora empezó otra etapa, la de las publicaciones de alto impacto, aquellas que ponen en evidencia hallazgos científicos de relevancia, enteramente concebidas y ejecutadas aquí. Christian, una de las joyas de la ciencia argentina, esta empezando este nuevo camino que espero haga historia dentro de nuestro Departamento”.
Y concluye Schmiegelow: “Para mí, buena parte de lo que hacemos en el sistema científico es educar mentes pensantes. Es la manera en la que las búsquedas impulsadas por nuestra curiosidad se justifican. Estamos formando sujetos entrenados para pensar profundamente y resolver problemas muy difíciles. Esas también son las aplicaciones de la ciencia”.
Nora Bär
Comentario de AgendAR:
Imposible superar la claridad de Nora Bär en un tema tan difícil.
Yo añadiría dos cosas que en nuestro país y nuestro momento resultan de supervivencia: el rédito que saca el país con esto excede mucho el prestigio académico. La ganancia neta está en los recursos humanos formados en la investigación. Esto es ciencia pura de calibre Premio Nóbel, pero si el equipo del LIAF fuera propuesto para el mismo, e incluso si lo ganara, lo que sacaría en limpio el país ya lo ganó, y lo digo de nuevo para que cale: son los recursos humanos.
También los puede perder. De hecho, la emigración de científicos argentinos a lugares donde no se los llama parásitos y se les paga el doble o triple ya no se restringe a los EEUU, Francia, Alemania y el Reino Unido. Ahora incluye México, Chile y Colombia. Dentro de poco, Brasil.
La ciencia en serio se aprende practicándola, es decir, investigando, es decir, descubriendo. Como docentes de la UBA, los jóvenes del LIAF son muy superiores a los profesores que sólo repiten lo que leyeron. Aunque no hayan estudiado didáctica y hablen raro, estos son de frontera, son los que luchan contra lo desconocido. No vas a encontrar mejores docentes, ni más motivados.
Tener investigadores de este calibre es lo que suele diferenciar a muchas de nuestras mejores universidades públicas de los muchos tantos enseñaderos tilingos por pago, donde no hay investigación en ciencias duras, y de cuyo chamuyo marketinero salió esta perversión de la meritocracia.
La otra cosa que se saca en limpio de estos avances en física básica son las posibles aplicaciones industriales. Como norma, suelen ser más inesperadas y disruptivas cuanto más básico resulta el avance. Los laberintos de la física cuántica están metidos en objetos tan banales como un pen-drive, y tan ubicuos como las luces LED, de brillo poderosísimo y bajo consumo eléctrico, o aplicaciones tan invisibles como los casi 40.000 km. de la Red Federal de Fibra Óptica de ARSAT, que hacen que tu teléfono celular haga algo.
Por eso son necesarias las instituciones que enlazan en una cadena continua la ciencia pura y la aplicación, como el binomio CNEA-INVAP, o la UNSAM, la UBA, la UNLP, la UNC, donde entre un 90% de investigadores «fierreros», orientados hacia las ingenierías o hacia la biología o la medicina, hay un 10% de científicos básicos. Como me dijo en 1985 el Dr. Mario Mariscotti cuando era gerente de Investigación y Desarrollo de la CNEA, son esa gente rara que a veces no lográs entender qué hacen o qué dicen, pero su presencia en tu escuadra levanta la potencia de hacer cosas prácticas, nuevas, patentables y vendibles de los demás científicos.
Cuando un investigador aplicado y otro puro comparten café (generalmente malísimo) en el mismo buffet, a veces surgen chispazos, ideas patentables que pueden revolucionar la vida. Me gustaría añadir que la industria y la guita entonces vienen solas, pero en una Argentina sumida en un nuevo industricidio recesivo, y cuyo dinero se evapora en «carry trade» y fugas, eso sencillamente no sucede.
Póngale la firma que lo que publicó la muchachada del LIAF en Physical Review Letters hoy está siendo leido con mucha atención por los jefes de I&D de la industria microelectrónica y optoelectrónica china, coreana y taiwanesa.
Daniel E. Arias
