La nanoluz, un nuevo Everest

Hace apenas unos meses la revista Nano Letters publicó un prometedor hallazgo: la posibilidad de controlar la propagación de la luz en la nanoescala, un paso muy importante en el desarrollo de nuevas tecnologías. Detrás de este hito científico se encuentra el equipo de investigadores de la Universidad de Oviedo Nano-óptica Cuántica, del que forma parte el estudiante de doctorado Gonzalo Álvarez Pérez.

El grupo de Nano-óptica Cuántica, liderado por el investigador Pablo Alonso González, está integrado por dos investigadores seniors, cinco estudiantes de doctorado y uno de post doctorado. Juntos y en estrecha colaboración con otros equipos científicos de San Sebastián y Austria han demostrado que es posible controlar la propagación de la luz en trióxido de molibdeno, un material de la familia de van der Waals.

-Trabajáis en nanofotónica. ¿Nos puedes acercar lo que esto significa?
-La nanofotónica junta dos mundos, el mundo de lo nano y el de la óptica, que es una rama de la física tradicional que busca entender el comportamiento de la luz. ‘Nano’ hace referencia a la escala nanométrica, un nanómetro es cien mil veces más pequeño que el espesor de un cabello humano, y a esa escala tan pequeña la luz se comporta de una manera muy diferente. La nanoóptica o nanofotónica intenta estudiar ese comportamiento.

La luz visible, y la que no vemos con nuestros ojos, como las ondas infrarrojas o las ondas de radio no se pueden controlar en esa escala tal y como las conocemos, porque hay un límite en física que es el límite de difracción. Por tanto, si queremos controlar la luz en esa escala no nos vale con la óptica convencional, y para hacerlo nosotros utilizamos los polaritones, unas ondas electromagnéticas que se excitan al iluminar la superficie de algunos materiales. Sus características son una combinación de las propiedades de la luz incidente y del material, de modo que su longitud de onda sí puede llegar a la nanoescala, lo cual nos permite confinar la luz. Es como si tuviésemos un embudo.

“La nanofotónica junta dos mundos, el mundo de lo nano y el de la óptica, que es una rama de la física tradicional que busca entender el comportamiento de la luz”

-Hace un par de años vuestro grupo descubrió polaritones en el trióxido de molibdeno. ¿Qué fue lo que observasteis?
-Nosotros trabajamos con materiales de van der Waals o bidimensionales, materiales que se pueden dividir en láminas tan delgadas que pueden tener incluso un átomo de grosor, aunque generalmente son de varios nanómetros de espesor. Son muy fáciles de fabricar, es como si de un paquete de folios cogemos un solo folio. El ejemplo más conocido de este tipo de materiales es el grafeno pero hay muchos otros, y al ser tan delgados permiten confinar mucho la luz y tener estos polaritones con una longitud de onda muy pequeña. El trióxido de molibdeno es uno de esos materiales y en 2018 se descubrió que estas ondas existían en él, pero con una peculiaridad. Para entenderla utilizaré un símil que no es del todo correcto pero que nos ayuda a visualizarla: si tiramos una piedra en un estanque vemos que salen ondas circulares alrededor de la piedra, pero cuando se hace algo parecido con el trióxido de molibdeno, es decir cuando lo iluminas con un láser, las ondas salen solo en unas direcciones. Esto indica que los polaritones que existen en este material son muy direccionales y esto es muy importante para el control de la luz porque permite dirigirla a lo largo de las direcciones que tú quieres. Esto abre la puerta a un control de la luz novedoso, sin precedentes, porque no se había descubierto un material con ese comportamiento. Como decía, el símil no es del todo correcto porque en el caso del agua lo que se forma son ondas mecánicas y no electromagnéticas.

-¿Qué puertas puede abrir el control de la luz en estos términos?
-La luz en nuestra vida diaria está en todo. Ya la óptica convencional tiene muchas aplicaciones como las gafas, los telescopios o la fibra óptica que usamos para comunicarnos, los láseres, etc. La nanofotónica abre la puerta a un control mucho más preciso de la luz y tiene aplicaciones en muchos ámbitos, desde el campo sanitario con el diagnóstico de enfermedades a través del acoplamiento con esta luz hasta el de la seguridad o las comunicaciones. En seguridad, por ejemplo, muchos explosivos tienen resonancia en el rango infrarrojo y precisamente las ondas con las que trabajamos tienen energía en ese rango, lo que permitiría detectar los explosivos con sensores nanométricos.
También sería posible integrar los circuitos electrónicos con circuitos ópticos, evitando la disipación de energía que ocurre cuando, por ejemplo, se calientan los cables, o las bombillas. Podríamos tener microscopios muy avanzados y muchas otras aplicaciones; este campo tiene un impacto en tantos ámbitos que seguro que se me escapa algo.

“Los materiales bidimensionales con los que trabajamos se pueden dividir en láminas tan delgadas que pueden tener incluso un átomo de grosor, aunque generalmente son de varios nanómetros de espesor”

-¿Asistiremos a una explosión de lo nano?
-De alguna forma ya la está habiendo. Los láseres son un producto de investigación en nanofotónica y hay muchos dispositivos avanzados basados en nanotecnología, lo que pasa es que comercializarlos y producirlos en escala a un coste barato necesita requerimientos fuera de la ciencia. A día de hoy, por ejemplo, no se produce grafeno industrialmente, pero sí hay empresas que lo hacen para vender a los equipos de investigación. En el plazo de unos años, o tal vez décadas, tendremos estos dispositivos en nuestro día a día.

-¿Contribuirá la nanoóptica a un mundo más sostenible, más eficiente?
-Sí, por ejemplo, ya hay quienes investigan para mejorar la eficiencia de células solares, ya que al final, lo que ocurre en tu placa no deja de ser una interacción de la luz con la materia. Desde ese punto de vista llevaría a un tratamiento de energía mucho más eficiente. También hay gente investigando en materia de baterías, compuestos biológicos y en muchos otros campos porque la nanociencia y la nanofotónica son interdisciplinares.

“La motivación está en entender los fenómenos que suceden en la naturaleza, (…) conocer las leyes que gobiernan el mundo en el que vivimos”

-¿El uso de la luz a esta escala es algo que observamos en la naturaleza
-Sí, por ejemplo, la copa de Licurgo de la época griega es de un color cuando se ilumina desde dentro y si se ilumina desde fuera es de otro. No se sabía por qué ocurría esto hasta que llegó la nanofotónica, y es porque dentro contiene nanopartículas de oro en las que precisamente hay polaritones y son las que inducen ese comportamiento del color.

Esto existe en la naturaleza. Hay un montón de fenómenos donde hay un acoplamiento de la luz y un material, y materiales como el grafeno, nosotros los obtenemos de la naturaleza. El grafeno es una monocapa de grafito y este se extrae de las minas de grafito. Lo que buscamos es aprender a controlar estos fenómenos y a manejarlos para aplicaciones que redunden en el bienestar de la sociedad.

-¿Vuestro equipo trabaja en colaboración con otros investigadores?
-Sí, principalmente cuando precisamos de algún recurso que no tenemos disponible, entonces trabajamos con otros que sí lo tienen. Colaboramos habitualmente con un par de grupos en San Sebastián, pero también con otros en China, en Australia y EEUU, son gente experta en este tema.
La ciencia es colaborativa, todo el mundo lo tiene claro, y más a este nivel en el que se necesitan equipos muy punteros. Hay que colaborar, no puedes hacerlo todo por ti mismo. Aquí no hay fronteras.

“La nanofotónica abre la puerta a un control mucho más preciso de la luz y tiene aplicaciones en muchos ámbitos, desde el campo sanitario hasta el de la seguridad o las comunicaciones”

-Viendo la importancia de los avances científicos, ¿os sentís suficientemente apoyados por las administraciones?
-La situación de los estudiantes de doctorado en particular es mejorable, porque es un poco precaria y también la de los investigadores posdoctorales. Es verdad que hay lugares en los que están peor, pero como dice el refrán “mal de muchos, consuelo de tontos”. Se necesita más apoyo en la ciencia, porque al final esto repercute en el bienestar de todos.

A raíz de esta pandemia estamos viendo la importancia de la investigación, pero no se puede pretender que una vacuna que necesita mucha inversión y años de trabajo se haga en tiempo récord. La ciencia busca sentar bases sobre el conocimiento, lo hace a medio y largo plazo y pasado un tiempo esto tiene sus aplicaciones. Hay que apoyarla siempre, no solo cuando urge.

-Toda la humanidad está posicionando ahora a la ciencia como el top ten. Y se está comprobando que si hay recursos hay resultados, como está ocurriendo con las vacunas.
-Sí claro, y hay gente en España y en Asturias muy válida y formada científicamente. No tengo ninguna duda de que si hubiera más apoyo la ciencia daría más resultados, pero no se puede pretender que dé un gran beneficio económico a corto plazo porque tampoco es ese su objetivo.
La investigación es un proceso a largo plazo. En nuestro caso, por ejemplo, la publicación de un artículo lleva generalmente un año de trabajo. Un experimento puedes hacerlo en una semana o un día, pero desde que piensas la idea hasta que ves los resultados hay varias fases: buscar cómo llevar a cabo el experimento, fabricar la muestra, medirla en el microscopio… Y por suerte, aquí tenemos el equipo necesario para hacerlo, pero en física de partículas, por ejemplo, los investigadores necesitan otra infraestructura que no tienen en un laboratorio tan accesible.

“A la ciencia hay que apoyarla siempre,
no solo cuando urge”

-Hace dos años hicisteis una publicación y ahora en 2020 volvéis con nuevos avances. Aunque este ha sido un año fructífero para vosotros no hay duda que todo requiere tiempo y mucha dedicación. ¿Cuál es vuestro principal estímulo en esta tarea?
-Para mí, personalmente, la motivación está en entender los fenómenos que suceden en la naturaleza. Siempre que tienes una idea o ves algo que se sale de tus esquemas quieres entenderlo, quieres conocer las leyes que gobiernan el mundo en el que vivimos y eso lleva su trabajo. La motivación está ahí, en conocer por qué ese fenómeno es así, llegar hasta lo más profundo y luego poder compartirlo con los demás y explotarlo para que repercuta en el bienestar de la sociedad.

-¿Una buena coordinación del equipo es fundamental a la hora de lograr objetivos?
-Sí es importante. En nuestro equipo cada uno tiene más o menos su rol, pero al final trabajamos en grupo. Es muy importante que haya una atmósfera agradable y que nos llevemos muy bien. En este sentido, Pablo, que es el director del proyecto, y el resto del grupo generan un ambiente muy agradable para el trabajo. Te sientes con gente que son tus amigos, eso es fundamental para una colaboración y para llevar el proyecto a buen puerto, que es el objetivo.