Una de plasmones…para desayunar con Javier Aizpurua (parte I)

Antes del verano mantuve una conversación con Javier Aizpurua con intención de escribir un post para Desayuno con Fotones. Javier es profesor de investigación del CSIC en el Centro Mixto CSIC-UPV/EHU de Física de Materiales, situado en el Campus de la UPV/EHU en Donostia-San Sebastián. Unas semanas después de nuestra charla fue elegido director del Centro, cargo que ahora compagina con su intensa actividad investigadora en el ámbito de la respuesta óptica de sistemas en la nanoescala. De hecho, es el líder del Grupo de Nanofotónica del Centro desde hace varios años. Javier y yo coincidimos durante nuestra etapa de doctorado, en la que nos habíamos planteado objetivos y temáticas diferentes, pero compartiendo un elemento común en nuestra investigación, los plasmones. Ya en aquellos lejanos años 90 se comentaba el potencial de los plasmones para desarrollar estrategias terapéuticas; hoy está muy cerca de ser una realidad. Aunque el trabajo de Javier y sus colegas es eminentemente teórico, mantienen contacto con grupos de investigación que utilizan estos resultados teóricos para fundamentar sus experimentos y eventuales aplicaciones en diversos campos, entre los que se encuentra la lucha contra el cáncer y la nanomedicina en general.

Javi AizpuruaJavier ha seguido la que podríamos denominar carrera investigadora canónica: realizó dos postdoctorados en el extranjero (en Chalmers, Suecia, y en el NIST de Washington D.C., EEUU) tras la defensa de su tesis. Entre ambas estancias, estuvo de profesor sustituto durante un año en la Facultad de Ciencias de la UPV/EHU, plaza que casualmente había dejado yo unos meses antes. Fue uno de los primeros investigadores que se benefició del Programa Fellows Gipuzkoa, un programa análogo al Ramón y Cajal, que la Diputación de Gipuzkoa desarrolla con el Donostia International Physics Center para facilitar la reincorporación de jóvenes investigadores con trayectorias excelentes. Antes de finalizar sus cinco años de Fellow Gipuzkoa, consiguió una plaza de Científico Titular en el CSIC y de ahí pasó a convertirse en Profesor de Investigación. Todo un tiempo muy bien aprovechado como pone de manifiesto el impresionante curriculum investigador de Javier y, sin duda, un ejemplo que debería cundir de inversión en talento con un gran retorno, para la persona y para el país.

Nos habíamos citado en su despacho, situado en la planta 3 del edificio del Centro de Física de Materiales. Los espacios reflejan la personalidad de las personas que los ocupan y doy fe que el despacho de Javier es amplio, luminoso y acogedor. Nos sentamos en torno a la mesa de reuniones, en la que había unos cuantos papers dispersos, aunque estaba bastante despejada. Frente a ella una pizarra vileda con sus rotuladores verde, rojo y azul en la base, y en la que se veían diagramas, gráficas, dibujos y fórmulas. Son el registro de pensamientos y discusiones con las personas de su grupo y que, sin duda, no serán más que garabatos para el profano. Me siento cómodo en este ambiente que me hace revivir el investigador que fui.

Comenzamos hablando del Año Internacional de la Luz, “una decisión de la UNESCO para destacar la importancia histórica de luz en el desarrollo científico, tecnológico y cultural”. “Con este reconocimiento se quiere hacer una llamada de atención sobre las implicaciones que el estudio de la luz y de las tecnologías basadas en la luz tienen en multitud de campos y para afrontar importantes retos globales como la energía, la sostenibilidad, la salud o la información”. Ninguno de los dos teníamos muy claro si esta elección del 2015 había venido motivada por la celebración de algún aniversario singular, como fue el 2005 para el Annus Mirabilis de Einstein, o el 2014 como Año de la Cristalografía para conmemorar el centenario de los trabajos de difracción de rayos X de los Bragg y de Von Laue. Nos tomamos como “unos deberes” indagar en este asunto y posteriormente descubrimos que la UNESCO hace referencia a varios hitos históricos con fechas redondas. La primera mención es para la labor de la óptica de Ibn Am-Haytan en 1015, y las últimas para el desarrollo de la fibra óptica por Kao y el descubrimiento del fondo de microondas cósmico por Penzias y Wilson, en 1965.

Javier dejó claro para empezar que “como objeto científico y de desarrollo tecnológico, el estudio de la luz ha sido algo tardío en la historia de la humanidad, habiendo estado durante siglos el foco en lo artístico y en lo religioso. La luz siempre se relaciona con ese concepto de lo bueno, lo positivo, lo creacional, lo espiritual, lo intenso, como contrario a la oscuridad, el lado oscuro, que es la nada.” Y así, con estas palabras, se hizo la luz en nuestra conversación y adquirimos la temperatura suficiente para plantear una pregunta muy básica ¿es la luz materia? “Pues no, la luz no es materia. Yo no creo que la luz sea materia. Entiendo la luz como campos electromagnéticos”. Entonces me contó que un periodista hace mucho tiempo le preguntó qué sentía cuando contemplaba un atardecer, si pensaba en lo bonito del atardecer y el color rosáceo sin más, romántico, o si veía longitudes de onda… “Tengo que reconocer que sí pienso en longitudes de onda, pero sobre todo prima lo emotivo, la sensación emotiva. Ahora bien, no puedes dejar de pensar ‘Esto es una longitud de onda, son campos electromagnéticos que vienen y te están impresionando los ojos’. Yo no considero que la luz sea materia, porque la luz son campos electromagnéticos, que pueden venir en paquetes o no, pero no es materia en el sentido de que no tiene masa. Así que no veo la luz como materia, sino que la veo como una señal”.

Vale, la luz es una señal y usamos varios términos para referirnos a la ciencia y la tecnología de la luz. Hablamos de óptica, de fotónica, de nanoóptica y de nanofótonica, de óptica cuántica, pero ¿es todo esto lo mismo? ¿Podemos hablar indistintamente de óptica y fotónica?… “Igual etimológicamente podría ser lo mismo: fotón, luz, y óptica también. Pero conceptualmente no es lo mismo; en la óptica en lo que hacemos hincapié es en este aspecto de señal electromagnética, o señal de rayos, por decirlo de alguna manera. Históricamente siempre se ha entendido por óptica ‘la ingeniería de la luz’, ‘la ingeniería de los haces de luz’ como señal. Con el advenimiento de la mecánica cuántica, en el siglo XX, surge el concepto de dualidad onda-corpúsculo. Y aunque hay situaciones en las que la luz emerge como pura señal de onda, hay otras en las que emerge como un paquete de energía casi como si fuera material”. Javier no se detiene y habla de un tirón. “Ya Einstein, que de hecho recibió el Nobel precisamente por su explicación del efecto fotoeléctrico publicada en 1905, predice e interpreta una fenomenología de arrancamiento de electrones en la materia que solo se podía entender si la luz estaba constituida por esa  especie de paquetes de energía. Y al corpúsculo o al paquete mínimo de energía que traslada esa luz se le llamó posteriormente fotón. En tanto en cuanto esa luz se expresa más con su naturaleza corpuscular fotónica o con su naturaleza puramente óptica, de señal electromagnética que se propaga, es cuando podemos hablar de fotónica,  o de óptica, respectivamente. Se habla de fotónica en el sentido de que se llega a hacer ingeniería de haces de luz, incluso controlando el número de fotones que salen, cómo éstos interaccionan con la materia, llega un fotón y excita un electrón”.

Llegados a este punto cedí a la tentación de preguntar si la fotónica es óptica cuántica. Ya conocía la respuesta, pero quería que Javier siguiera con este hilo y siguiera explayándose…  “No necesariamente. Por ejemplo, un campo electromagnético clásico interacciona con materia y arranca electrones que decaen y se convierten en fotones únicos. Sin embargo, hay un elemento más allá de la descripción de la óptica que ocurre cuando no sólo describes la energía y el momento del fotón como paquete, sino que además sus campos eléctricos y magnéticos pasan a estar cuantizados y entras en la segunda cuantización… Es decir, funcionan a través de otro paradigma de dinámica y esas cuantizaciones de los campos mismos en cavidades y demás sistemas es lo que describimos como óptica cuántica”.

Omito muchos detalles de nuestra conversación, porque son excesivamente técnicos y nos alejarían de nuestro objetivo final: explicar qué son los plasmones y cómo pueden utilizarse para eliminar un tumor. Hago memoria y busco una forma sencilla de introducir el concepto de plasmón, utilizando además fragmentos de nuestra conversación.

La materia está constituida por átomos, unidades neutras constituidas por un núcleo de protones y neutrones que concentra la masa y la carga positiva del mismo, y por electrones, cargas negativas de masa unas 2000 veces inferior a la de los protones y neutrones. Los núcleos, cargas positivas, tienen posiciones muy fijas y los electrones, dependiendo del material, están más fijos entorno a los núcleos (materiales aislantes) o más deslocalizados (metales). La luz que incide sobre un material que tiene las cargas eléctricas muy fijas, un buen aislante, interacciona de una manera muy determinada, produciendo unas polarizaciones, o unas excitaciones muy localizadas. Cuando tenemos un metal, además de estas excitaciones, ocurre que todos los electrones que están deslocalizados pueden actuar conjuntamente y de manera coherente: al llegar un fotón no reaccionan solos, como en un aislante, sino que todos los electrones ‘se ponen de acuerdo’ y comienzan a moverse a la vez en una distancia de nanómetros. Ya no es un solo nivel energético o una polarización de los átomos localizados, sino que es toda la nanoestructura a través de su estructura electrónica deslocalizada la que responde a ese fotón de manera colectiva. Este movimiento colectivo y coherente de los electrones, como si se tratara de un plasma, ocurre a determinadas energías (dependiendo de la densidad electrónica y también del tamaño y forma de la estructura metálica en cuestión), las cuales, curiosamente, caen en el rango de energías de la luz. El movimiento resonante de los electrones deslocalizados, esta excitación colectiva coherente, es lo que denominamos ‘plasmón’.

Surface-Plasmon-Resonance

Representación esquemática de excitaciones colectivas de electrones (plasmones) en una nanoestrcutura metálica.

Pues bien, “las nanoestructuras de metales al llegar la luz, la capturan – y esto es un concepto muy importante – y produce una de estas excitaciones, un plasmón, cogiendo prestados la energía y el momento del fotón, y gracias a esta captura esta excitación cobra vida (física), existe. Ahora bien, el plasmón  como excitación que tiene una energía y vive durante un pequeño lapso de tiempo, va a morir: nace, vive y muere. Nace de un fotón y puede morir emitiendo otro fotón o simplemente decayendo y transfiriendo la energía a la nanoestructura (calentándola). La muerte de nuestro plasmón puede dar vida a otro fotón, emitiendo energía que contiene mucha información sobre dónde está ese gas de electrones, cómo es, cómo ha interaccionado… deja una impronta: del tipo de material, de la forma, del tamaño, etc.”. En la naturaleza nada se pierde, todo se transforma… Es precisamente este fenómeno el que va a permitir una sintonización con la luz (podemos jugar con esos parámetros de composición, forma y tamaño para producir una determinada respuesta) y dar lugar a toda una ingeniería con plasmones, una plasmónica. “Podemos hacer plasmónica, ciencia y tecnología de generación, control y sintonización de estos plasmones para tratar aspectos de la óptica y de la electrónica y plantear múltiples aplicaciones”.

Uno de los elementos claves de los plasmones es que nos permiten concentrar luz en espacios muy pequeños, por debajo del límite clásico de difracción (que es aproximadamente la mitad de la longitud de la onda, λ/2). Habíamos alcanzado la ‘velocidad de crucero’ de nuestra conversación. A ratos tenía ganas de intervenir, de matizar algunas cosas, pero para qué, si Javier lo cuenta tan claro. Prefería escuchar y tomar nota. “La luz propagante es luz ‘desparramada’. Sin embargo, llega a una estructura que es mucho más pequeña que su longitud de onda y en unos femtosegundos (10-15 s) esa luz desparramada de repente se comprime y, como en un embudo, es captada por estos electrones del nanomaterial que se ponen de acuerdo. Durante esos femtosegundos estos electrones generan una oscilación y una excitación que no es exactamente luz, la luz que nos venía propagante, sino que es una “pseudoluz” (algunos hablan de dressed photon): una especie de luz disfrazada donde en realidad tengo unos electrones oscilando colectivamente, pero cuya oscilación produce unos campos eléctricos y magnéticos que oscilan a la misma frecuencia que la luz y están mucho más localizados. Durante estos femtosegundos en los que tengo “pseudoluz” puedo hacer óptica en la nanoescala batiendo el límite de difracción; el campo electromagnético hace lo que quiera que haga un fotón, pero localizado en la nanoescala, batiendo el límite de difracción y, una vez que lo hace, escapa otra vez ya en forma de luz estándar, propagante, desparramada de nuevo”.

Modelo de nanoantena.

Modelo de nanoantena.

Escucho varias veces este fragmento de la grabación. Me fascina el concepto de dressed photon, de pseudoluz… Y pienso en tantas y tantas metáforas que los científicos usan para aclararse a sí mismos lo que están describiendo, buscando imágenes concretas y humanizadas, humanoides me atrevería a decir, que arranquen un poco de vida al formalismo matemático.   Me sigo aferrando a la grabación y continuo transcribiendo y elaborando el material, entresacando un hilo narrativo del ovillo caótico de nuestra conversación… Por eso se habla de estas nanoestructuras como nanoantenas, porque capturan la energía – como hace una antena – y la emiten también. “En esta capacidad de las partículas plasmónicas para captar y emitir energía es de donde viene la nomenclatura de nanoantenas ópticas, antenas plasmónicas, nanoantenas ópticas, antenas ópticas… Toda esta palabrería quiere decir lo mismo: un dispositivo que captura energía a nanoescala o emite energía de la nanoescala a sus alrededores. Como se hace a frecuencias ópticas y se hace en la nanoescala, se habla de nanoantenas, nanoantenas ópticas, antenas ópticas o antenas plasmónicas”.

Los plasmones ocurren en estructuras metálicas, pero ¿qué pasa con los no metales? ¿Qué tipo de excitaciones tienen lugar? ¿Qué nanofotónica podemos hacer en este caso? Javier habla con gran fluidez, apenas piensa las respuestas, no hay silencios, todo está claro en su cabeza… Me recuerda a un pianista que no piensa la partitura, empiezas a silbar una melodía e inmediatamente sus dedos la continúan y la llevan por derroteros insospechados. “Hay otra manera de hacer nanofotónica, que es con semiconductores, y el concepto o paradigma es totalmente distinto. Ahí en vez de ponerse todos los electrones de acuerdo, lo que ocurre es que en un átomo dentro del semiconductor se excite un electrón, pase a un nivel energético superior: entonces ese fotón incidente deja de existir y se convierte en una excitación electrónica”. Intervengo, más que nada para que tome aire… Y luego vuelve a decaer, ¿no?. “Exactamente, luego vuelve a decaer emitiendo un fotón en un proceso que se llama fluorescencia. Esa emisión puede tener lugar en pequeños trozos materiales de semiconductor, que se llaman puntos  cuánticos, quantum dots. En ese sentido eso también es nanoóptica, porque la luz está siendo generada desde un nanoentorno, pero con unas propiedades y con una dinámica totalmente distinta a la de plasmones”. Concluyo yo mismo, poniendo a prueba mi capacidad de síntesis: la nanoóptica, por tanto, se puede hacer con nanometales o con semiconductores muy pequeños tipo quantum dots, de manera que los fotones pueden ser tratados, generados, manipulados en la nanoescala a través de semiconductores o metales. “En ese sentido tendrías nanoóptica de semiconductores, y luego tendrías la nanoóptica de plasmones como otro campo, con otras peculiaridades distintas. Los dos tipos de excitaciones son muy distintas, porque una es colectiva, con grandes pérdidas, y la otra es un par energético, es lo que llamamos un excitón. La dinámica y las propiedades son totalmente distintas. Un excitón puede vivir nanosegundos o picosegundos, y un plasmón vive femtosegundos; son nanoóptica, pero son excitaciones muy distintas que dan lugar a aplicaciones diferentes”.

Expuestos a luz ultravioleta, los 'quantum dots' presentan fluorescencia con colores característicos determinados por el tamaño del 'punto' para un mismo material. (Crédito: Drexel University)

Expuestos a luz ultravioleta, los ‘quantum dots’ presentan fluorescencia con colores característicos determinados por el tamaño del ‘punto’ para un mismo material. (Crédito: Drexel University)

Había planeado que ventilaríamos la entrevista en poco más de media hora. De vez en cuando nos interrumpían para preguntar si nos queda mucho. Javier miraba su reloj y siempre decía lo mismo “diez minutos como mucho”. En este punto de la conversación fue la tercera vez que lo dijo. Yo estaba muy a gusto y creo que él también. Estábamos al final de la primavera, los días son largos, y aunque estaba nublado fuera, la luz entraba y se detenía en el despacho. Sabía que estabamos hablando de ella y, curiosa, se quedó a escuchar.
Continuará…

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