“Utilizo la invisibilidad como señuelo, no me parece hacer trampa”

Desde hace unos años, cada principio de octubre, John Pendry (Manchester, 1943) recibe una llamada en la que le piden rendir cuentas de sus movimientos esa semana. Es uno de los favoritos en Reino Unido a ganar el premio Nobel de Física, y la universidad en la que trabaja, el Imperial College de Londres, quiere estar preparada si ocurre. Pendry, experto en óptica y en física de la materia condensada, es reconocido como el padre de un campo entero de investigación y desarrollo tecnológico: los metamateriales. Gracias a ellos, el catedrático ha propuesto teorías viables para crear la primera “ca...

Desde hace unos años, cada principio de octubre, John Pendry (Manchester, 1943) recibe una llamada en la que le piden rendir cuentas de sus movimientos esa semana. Es uno de los favoritos en Reino Unido a ganar el premio Nobel de Física, y la universidad en la que trabaja, el Imperial College de Londres, quiere estar preparada si ocurre. Pendry, experto en óptica y en física de la materia condensada, es reconocido como el padre de un campo entero de investigación y desarrollo tecnológico: los metamateriales. Gracias a ellos, el catedrático ha propuesto teorías viables para crear la primera “capa” o escudo de invisibilidad y una lente perfecta que permitiría ver el interior de las células con un microscopio o una simple cámara de móvil. Está en Madrid como ponente en la Escuela Internacional Nicolás Cabrera dedicada a la nanofotónica, que organizan la Universidad Autónoma de Madrid y la Fundación BBVA.

Pregunta: ¿Qué tiene que ver la nanofotónica con su campo, los metamateriales?

Respuesta: Están relacionados. Si quieres usar la luz tienes que controlarla. La óptica tradicional utiliza rayos, lentes, objetos como las gafas. Esa tecnología se lleva desarrollando años, pero solo puede controlar la luz en una escala relativamente grande por una restricción llamada el límite de Abbe. Un señor del siglo XIX que trabajaba en lo que luego fue Alemania del Este, [Ernst Karl] Abbe, descubrió que si utilizas lentes convencionales, solo puedes enfocar con una resolución de media longitud de onda, que viene a ser medio micrómetro [millonésima de metro] o así. Es una restricción enorme en los tiempos que corren, porque gran parte de la ciencia ahora se desarrolla en la nanoescala [millonésima de milímetro]. Si quieres controlar la luz a esta escala, necesitas nuevos materiales, los metamateriales.

P: ¿Cómo funcionan los metamateriales?

R: La idea es que, en lugar de escoger solo la composición química del material, añades a las variables su estructura interna. Por ejemplo, la plata pulida es uno de los mejores reflectores de luz que existen. Pero puedes hacer otra cosa con la plata: si la trituras hasta formar un polvo muy fino de nanopartículas, es completamente negra. Esto son los negativos antiguos de fotografía. La composición química es la misma, pero al cambiar la estructura haces algo muy, muy distinto con el material. Ese es el secreto: la estructura.

El secreto está en la estructura

P: ¿Entonces el campo de los metamateriales es una disciplina antigua?

R: Bueno, las personas han manipulado la estructura durante muchos, muchos años. Pero el interés reciente empezó realmente con un estudio que realicé en 1999, donde sugería una forma concreta de hacer materiales estructurados que no se habían considerado antes. El motivo por el que causó mucho interés es porque de esta forma podemos hacer materiales con propiedades que no se conocen en la naturaleza.

P: En la ingeniería y el diseño, muchas ideas buenas han venido tomando inspiración de la naturaleza. ¿Podrían venir las mejores alejándonos de ella?

R: Sí y no. El concepto de metamaterial puro tiene una estructura a una escala mucho menor que la longitud de onda de la luz, por lo que no se ve la estructura a simple vista. Para lograr actividad a esa escala, hace falta usar compuestos químicos o materiales que no son naturales. La naturaleza se basa en la química orgánica, y muchos metamateriales son metálicos, por eso los metamateriales como tal no existen en la naturaleza. Pero sí existen los cristales fotónicos, que tienen estructuras en la escala de la longitud de onda de la luz, y funcionan por difracción. Hay muchos ejemplos de manipulación de la luz por estructuras naturales, como el color de las mariposas. Hay polillas que absorben radiación, y eso se ha copiado. Pero son estructuras limitadas, porque la naturaleza trabaja con esta paleta de química orgánica y lo que resulta no suele tener actividad óptica en la nanoescala.

Los metamateriales no existen en la naturaleza

P: Su trabajo más conocido con los metamateriales es la creación de la capa de invisibilidad, que hace que la luz rodee a un objeto sin reflejarse. ¿Cómo se le ocurrió?

R: El estudio de 1999 fue una sorpresa tremenda que arrancó la disciplina. Era muy técnico, pero queríamos contar al mundo que teníamos algo sorprendente y una nueva tecnología para diseñar los metamateriales, la transformación óptica. En aquel entonces estaba asociado a Darpa, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzados de Defensa, que nació en EE UU al tiempo que Sputnik con el objetivo de que a los estadounidenses nunca más les pillase por sorpresa la tecnología. Organizaron una conferencia de metamateriales en San Antonio, Texas, y me pidieron que “le diera un poco de salsa”. Así que pensé “yo les doy salsa”, y después de hablar de la tecnología colé un chiste. El chiste era: “Por cierto, podemos volver un objeto invisible, y aquí está la fórmula matemática y el material necesario”. En lugar de reírse, se lo tomaron muy, muy en serio. Me ofrecieron mucho dinero para investigarlo, pero lo rechacé.

P: ¿Ya hablaban de Harry Potter en esta conferencia?

Fue como una bofetada: ¡Oye, prestad atención, esta tecnología es importante!

R: Pues, ahora que lo dice, sí. Yo nunca había oído hablar de Harry Potter, pero a mi mujer le gustan sus libros. Cuando le expliqué lo que iba a hacer en la conferencia me dijo “Ah, ¿quieres decir como la capa de Harry Potter?” Así que acabé haciendo alusión a él. La idea era aprovechar todo el interés público en torno a la invisibilidad, por Harry Potter y por toda la literatura que existe, porque es algo que el público conoce. Sabíamos que sería como una bofetada: “¡Oye, prestad atención, esta tecnología es importante!” Y así demostró serlo.

P: ¿Cómo se pasa de una teoría a una capa de invisibilidad real?

R: En la escala de las microondas es relativamente fácil, y hay muchos experimentos con esta longitud de ondas. Las microondas tienen longitud de onda de centímetros, así que el metamaterial puede tener una estructura de varios milímetros, que es fácil para la ingeniería. Con la luz visible es mucho más difícil, porque la estructura tiene que ser más pequeña que la longitud de onda: esta es de medio micrómetro, así que hablamos de decenas de nanómetros. Se puede hacer, pero es tecnología difícil. Un investigador, Shuang Zhang de Birmingham (Reino Unido), construyó un escudo de invisibilidad utilizando cristales enormes de China. Logró hacer desaparecer un objeto en parte del espectro visible.

P: ¿Qué aspecto tiene la capa?

R: El objeto de Zhang mide unos 10 centímetros, pero está hecho de trozos enormes de cristal. No es algo que puedas ondear o ponerte encima.

P: La gente oye “capa de invisibilidad” y empieza a pensar en aplicaciones militares, o algo que se podrá comprar en una tienda.

R: Hay que ser francos desde el principio. No puedes animar la especulación sobre cosas que sabes que nunca van a ocurrir.

P: Pero se dijo que la invisibilidad nunca iba a ocurrir, y ahora existe porque usted especuló.

Yo no especulé. Yo hice un poco de ciencia

R: Yo no especulé. Yo hice un poco de ciencia.

P: Habrá un punto medio entre ser un científico soñador y solo trabajar cuando se tiene una aplicación realista en mente.

R: Bueno, yo lo usaba como señuelo. Esta entrevista, por ejemplo… probablemente no me estaría haciendo preguntas si no hubiese oído hablar de la invisibilidad. Esto no me parece hacer trampa, porque a la gente le interesa la invisibilidad: hay una historia de cómo lo logramos, y hay ciencia detrás de ello. Así lo utilizo como oportunidad de hablar sobre lo que hacemos. He trabajado en muchas áreas de la ciencia durante mi carrera. Solía trabajar en física de electrones y es muy difícil que la gente se interese por tu trabajo cuando estudias electrones. Hay demasiado trasfondo que explicar. Con la óptica es un lujo, porque todo el mundo cree que sabe cómo funciona la luz. Cuando les dices un par de cosas que no conocían sobre la luz, ya estás construyendo sobre lo que sí saben. Ha sido un vehículo excelente de divulgación.

P: Hablemos entonces de sus otras áreas de investigación. Está construyendo la “lente perfecta” sin límite de resolución. ¿En qué consiste?

Los científicos no pueden ver el interior de una célula. Necesitamos mejor resolución

R: Con un microscopio tradicional, que utiliza lentes tradicionales, no puedes ver nada más pequeño que media longitud de onda. Eso es un fastidio tremendo hoy en día, porque media longitud de onda es como medio micrómetro, y hay mucha ciencia moderna en la nanotecnología, que es cien o mil veces más pequeña. No podemos ver nada de esto. Sobre todo en biología, donde el microscopio es la herramienta esencial, los científicos no pueden ver el interior de una célula. Necesitamos mejor resolución. Eso era una barrera enorme; bueno, lo sigue siendo, porque tenemos la teoría de la lente perfecta, pero es muy difícil implementarla en la práctica.

Todos los materiales conocidos tienen un índice de refracción positivo que dobla la luz de cierta forma. Hace unos 50 años, casi exactamente, un ruso llamado Victor Veselago dijo que si un objeto tuviese un índice negativo podría tener muchas aplicaciones, como la creación de una lente que operase bajo principios completamente distintos a las lentes tradicionales. La lente [hipotética] de Veselago no era lenticular, era un plano del material negativo que enfocaba la luz. Pero no llevó la idea más allá. Asumió que estaba sujeta al límite de Abbe. Yo no: tenía mis sospechas y estaba trabajando en el campo de la nanoóptica. Analicé la teoría matemática, esperando que obedeciese el límite de Abbe —por otro motivo interesante—, pero no lo hacía. Mi fórmula me dijo: esta lente es perfecta, bien construida, enfocará la luz a la perfección.

P: ¿Se puede construir la lente perfecta?

R: Sí, hay varios prototipos. El motivo por el que no era muy conocido el trabajo de Veselago es porque que no existían materiales con índices de refracción negativos. Con nuestra contribución, los metamateriales, por primera vez fue posible.

P: ¿Qué aplicaciones tiene la lente?

Esta tecnología podría mejorar todo tipo de productos de diagnóstico biológico

R: Pues todavía no han logrado instalarla en un microscopio. Es un reto demasiado grande. Pero lo que sí se puede hacer es enfocar la luz a un punto pequeñísimo. Esto es útil en muchos campos. Por ejemplo, en la espectroscopía hay un problema, y es que el fotón mide varios micrómetros y la molécula que queremos detectar, nanómetros. Es una conversación entre un ratón y un elefante. Si puedes estrujar los fotones al espacio nanométrico, tienes sensibilidad para detectar una sola molécula, que es el objetivo final de la espectroscopía. Esta tecnología podría mejorar todo tipo de productos de diagnóstico biológicos, y de hecho hay mucha gente trabajando en esto. Luego hay objetivos más complicados, pero fascinantes desde el punto de vista científico, como lograr que la luz cambie de color e interactúe con otros fotones.

P: ¿Qué será posible en la próxima década gracias a los metamateriales que no es posible ahora?

Si fuera evidente de inmediato todo lo que se puede hacer con una nueva idea, no sería una idea muy profunda

R: Se tarda mucho hasta que una idea nueva llega al mercado. Yo hago la comparación con la tecnología láser, que empezó como una solución en busca de un problema. La primera aplicación comercial del láser fue en la caja de los supermercados. Cuando le damos esto a los ingenieros, lo primero que piensan es: “¿Cómo puede ayudarme esto con un problema actual?” Solo mucho más tarde —probablemente sea la nueva generación— se preguntan: “¿Qué más podemos hacer que todavía no es posible?” Así es con los metamateriales: las primeras aplicaciones comerciales serán para cosas que ya hacemos, pero que se harán mejor y por menos dinero. Por ejemplo, una empresa en Seattle, Kymeta, ha mejorado el concepto de la comunicación satélite. Se utilizan recibidores de disco de 30 centímetros de diámetro, pesados, caros y que consumen mucha energía. Con los metamateriales, hacen recibidores planos, ligeros, baratos y que se alimentan con el USB del portátil.

A mí me sorprenden muchas de las nuevas aplicaciones. Si fuera evidente de inmediato todo lo que se puede hacer con una nueva idea, no sería una idea muy profunda. Como científico, hace falta tener olfato para las ideas profundas.