La Física tiene múltiples aplicaciones experimentales: no es una ciencia pura y abstracta, y empieza a expandir sus redes teóricas en forma de desarrollos muy cercanos para nuestro futuro inmediato. Estas dos noticias son un par de buenos ejemplos: discos duros informáticos que operan en el nivel del átomo y experimentos de laboratorio donde se supera la presión del centro de la Tierra para desarrollo de materiales.

Es difícil de concebir pero es muy real: un disco duro basado en átomos de cloro, manipulados para conformar un disco duro a un nivel infinitamente más pequeño que el más jibarizado de todos los discos duros informáticos actuales. Un sistema en el que los átomos son movidos de sitio para que puedan actuar como una red que graba, lee y regraba datos. Capaces de almacenar hasta un kilobyte (KB) de memoria, que no es realmente nada en el mundo actual: pero es que estamos hablando de un disco duro a nivel atómico, no de máquinas convencionales. Si apenas un puñado de átomos de cloro pueden hacer esto, qué no se podría hacer con redes mucho más grandes. Nunca antes se había logrado una memoria en dos dimensiones capaz de almacenar un Kb, lo que equivaldría a 500 veces las memorias actuales.

Sin embargo es una apuesta muy a largo plazo: para poder realizar el experimento el nivel de sofisticación y capacidad tecnológica es tan grande y excepcional que pasarán años (quizás más de una década) en que lleguen siquiera experimentalmente a los ordenadores domésticos. De momento el experimento diseñado por un grupo de investigadores holandeses y españoles empiezan a hacer realidad la predicción de Richard Feynman a finales de los años 50, cuando dijo que la Física permitía soñar con ordenadores del tamaño de un grano de arena capaces de almacenar una inmensa cantidad de información. Literalmente se trata de llevar la nanotecnología más allá del nivel molecular, entrar en un terreno desconocido en el que los átomos son manipulados para convertirse en unidades de almacenamiento, conformando bases de datos.

Esquema del disco duro atómico: la posición de los átomos de cloro (cuadrados azules) se corresponden con el orden del código binario (Imagen: Universidad de Delft)

Entramos en la escala del mundo del átomo, tan pequeño y sometido a unas leyes que si pueden ser usadas en pos de una aplicación técnica abre la puerta a todo tipo de posibilidades. Y una de las barreras logísticas ya ha sido derribada por los investigadores del Instituto Internacional Ibérico de Nanotecnología (IBL) y la Universidad Tecnológica de Delft (Países Bajos) en su experimento (publicado en Nature Nanotechnology), que han hecho realidad la predicción de Feynman a través de una técnica que convierte a los átomos de cloro sobre sustrato de cobre en unidades parecidas a las de un ábaco gracias a los microscopios “de efecto túnel” y electrónicos.

Con estos aparatos se puede observar la disposición de los átomos en una muestra y detectar los lugares vacíos donde no hay un átomo, las llamadas “posiciones vacantes”. Cada presencia de un átomo se liga a una vacante anexa, y ambas conforman un bit, y en función de su posición equivalen al 0 o el 1 en el código binario (p-v o v-p). De esta forma se puede, alterando su posición, crear unidades de control a nivel atómico ya que pueden moverse y cambiarse de posición con corrientes eléctricas concretas; cada movimiento equivaldría a una acción, guardar información o grabar nueva información.

A partir de aquí sólo hay un límite: la paciencia para operar con átomos, que puede ser realmente enervante. Pero los resultados son increíbles: lograron una densidad de 80 terabits por centímetros cuadrado, lo que supone multiplicar por 500 el discos duro convencional más avanzado del mercado, y a una escala infinitamente más pequeña. Tanto que es imposible de apreciar sin un microscopio electrónico. Eso sí: el trabajo se hace inmensamente lento, por la pequeñez del material y porque la precisión de los microscopios MET usados para poder manipularlos es tan grande que la velocidad es algo que no existe. Se tarda una media de 10 minutos en poder grabar un pequeño bloque. Y las condiciones son de un frío extremo para ralentizar lo suficiente los átomos: el trabajo se hace a temperaturas por debajo de los 190º bajo cero y en el vacío, por lo que pasarán muchos años (décadas quizás) antes de que su ordenador opere a este nivel. Paciencia.

Física de materiales: más presión que en el centro de la Tierra

Junto con la informática a nivel atómico también las últimas semanas han permitido dar un paso adelante en el campo de la resistencia de materiales, una disciplina cada vez más importante en la industria y con aplicaciones en casi todos los campos humanos. Desde luego ser capaz de triplicar la presión del centro de la Tierra en un experimento de laboratorio abre nuevas perspectivas en el desarrollo de materiales, y con consecuencias en geofísica, astrofísica y química de sólidos.

Imagen por microscopio electrónico del experimento (Foto: Universidad de Bayreuth)

La Universidad de Bayreuth (Alemania) es la institución que usaron el equipo de investigadores dirigidos por Leonid Dubrovinsky y Natalia Dubrovinskaia (publicado en Science Advances) para alcanzar un terapascal de presión, el triple del que comprime el núcleo de hierro de nuestro planeta, y considerado un estado de la materia extremo. Los textos oficiales hicieron una curiosa transición para su divulgación: sería el equivalente a depositar un céntimo de euro en el suelo y colocáramos encima (toda la masa en su superficie) cien torres Eiffel unidas.

En ese estado de presión la materia se comporta de una manera totalmente diferente: de hecho en el núcleo terrestre el hierro no está en estado sólido o líquido, sino en forma parecida al plasma altamente cargado de energía. En ese punto se puede observar los límites de la materia como tal y poder aprender de su comportamiento con vista a posibles aplicaciones en la ciencia de materiales. De ese conocimiento pueden surgir nuevos materiales ultrarresistentes, además de comprender mejor el juego de fuerzas de presión que pueden existir en otros planetas.

Para poder realizarlo, la Universidad de Bayreuth utilizó diamantes nano-cristalinos esféricos, que son muy parecidos a esferas transparentes increíblemente pequeñas (menos de 20 micras) y capaces de soportar una presión por su estructura atómica. Para generar la presión se usó una “celda de doble cara de yunque de diamante” en unas instalaciones de la ciudad de Chicago (un sincrotrón de electrones), donde se aumentó la presión y fueron sometidas a rayos x para poder comprobar el nivel de presión ejercida: superó el umbral de 1 terapascal.