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Nobel por tecnologías ópticas revolucionarias
El Premio Nobel de física 2009 ha sido premiado a tres investigadores cuyo trabajo ha formado la base de las telecomunicaciones modernas y la imagen digital. El premio reconoce a Charles K. Kao, cuyos descubrimientos llevaron a un gran avance en la fibra óptica, y a Willard S. Boyle y George E. Smith, quienes inventaron el sensor de imagen CCD (dispositivo de carga acoplada).
Premios Nobel: Los ganadores del Premio Nobel de Física de este año son, de arriba a abajo, Charles K. Kao, anteriormente de Standard Telecommunication Laboratories, y Willard S. Boyle y George E. Smith, anteriormente de Bell Laboratories.
Las fibras ópticas transportan casi todos los datos de telecomunicaciones y forman la columna vertebral de Internet. Cuando se combina con el láser y el transistor, la invención de una fibra óptica eficiente y de baja pérdida ha hecho posible la comunicación casi instantánea en todo el mundo, dijo H. Frederick Dylla, director del Instituto Americano de Física, en un comunicado.
El trabajo se realizó a mediados de la década de 1960. La invención del láser a principios de la década de 1960 impulsó a los investigadores a desarrollar un medio práctico de transmisión de luz, que puede transmitir datos mucho más rápido que las ondas de radio. Sin embargo, las fibras ópticas no parecían prometedoras en ese momento debido a sus altas tasas de atenuación: solo alrededor del 1 por ciento de la luz enviada a través de la fibra se transmitiría hasta 20 metros.
La idea de Kao fue centrarse no solo en la física de la luz, sino también en las propiedades materiales del medio en sí. En 1966, cuando era un joven ingeniero en los Laboratorios de Telecomunicaciones Estándar en Harlow, Reino Unido, Kao descubrió las causas subyacentes de la atenuación en la fibra óptica: las impurezas de hierro hacían que absorbiera y dispersara la luz. El vidrio puro, sugirió, sería un mejor portador y también presentaría ventajas económicas.
Después de más estudios sobre cómo la luz de diferentes longitudes de onda viaja a través de diferentes medios, Kao y sus colegas señalaron al dióxido de silicio como el mejor material. Pero es difícil trabajar con el dióxido de silicio. Un equipo de investigadores de Corning Glass Works realizó los diseños de Kao en 1970, utilizando una cámara de reacción de alta presión para formar las primeras fibras ópticas de baja pérdida, y otros en Bell Laboratories refinaron la técnica de fabricación para reducir el costo.
Las fibras ópticas modernas son incluso mejores de lo que predijo Kao, ya que pierden solo el 5 por ciento de la luz en una distancia de un kilómetro. En 1988 se tendió la primera fibra óptica intercontinental, de 6.000 kilómetros, entre Europa y América; hoy en día hay más de mil millones de kilómetros de fibra óptica en todo el mundo, y cada día se añaden más.
La otra mitad del Premio Nobel de Física de este año es para los inventores del CCD, un dispositivo que convierte imágenes en señales eléctricas, revolucionando así la fotografía y la imagen digital.
Si bien el trabajo de Kao surgió de un esfuerzo concertado para encontrar un mejor medio de telecomunicaciones, el de Boyle y Smith no fue anticipado. Desarrollaron el CCD en Bell Labs en 1969, después de haber esbozado el diseño básico durante una sesión de lluvia de ideas de una hora. El principio detrás del CCD es el efecto fotoeléctrico, que fue en parte teorizado por Albert Einstein, lo que le valió el Premio Nobel en 1921 . Cuando son bombardeados por un fotón, algunos materiales emiten un electrón. El diseño de Boyle y Smith es un chip de silicio cuya superficie está cubierta por una rejilla de condensadores que almacenan los electrones creados cuando se ilumina el chip. Cada condensador es un píxel. El número de electrones almacenados en cada condensador es proporcional a la intensidad de la luz en esa parte de la imagen. La imagen se puede leer retirando las cargas del CCD.
La ventaja del CCD sobre las películas químicas sensibles a la luz e incluso el ojo humano es su alta sensibilidad. En todo el espectro de luz, desde infrarrojos hasta rayos X, los CCD pueden capturar el 90 por ciento de los fotones entrantes. El ojo o una cámara de película captura solo el 1 por ciento de estos fotones.
Un año después de su invención, Boyle y Smith hicieron una cámara de video basada en el sensor de imagen digital; en 1981 Sony lanzó al mercado primera cámara CCD , la Mavica. Los astrónomos fueron los primeros en adoptarlos y han utilizado los sensores para capturar imágenes de objetos celestes distantes que hasta ahora eran invisibles.
En la actualidad, el CCD se enfrenta a la competencia de otro chip de imágenes digitales inventado casi al mismo tiempo: CMOS (semiconductor de óxido metálico complementario). Ambos dispositivos se basan en el efecto fotoeléctrico. Mientras que el CCD dirige los electrones fuera del chip en un solo flujo para leerlos, los datos de los píxeles CMOS se leen en el sitio, lo que ahorra energía y prolonga la vida útil de la batería. Sin embargo, CMOS no es tan sensible como CCD, que aún tiene ventajas para aplicaciones avanzadas como astronomía e imágenes médicas.