Aprovechando la imperfección en la naturaleza: desde la óptica cuántica hasta la polinización por las abejas.

La precisión es una virtud de la ciencia en general y de la nanotecnología, en particular, donde los dispositivos a escala nanométrica son cuidadosamente fabricados para obtener aplicaciones en los regímenes clásicos y cuánticos. En esta tecnología, las imperfecciones a menudo imponen límites graves, pero en algunos casos en el desorden puede permitir nuevas funcionalidades. En general, cuando los humanos diseñan dispositivos para obtener determinada funcionalidad, a menudo priorizamos los patrones ordenados y la simetría sobre cualquier otra cosa. La física cuántica, la nanotecnología o la fotónica son ejemplos claros donde se requieren dispositivos fabricados con precisión a escala nanométrica para hacer interactuar eficientemente la luz y la materia y obtener una serie de aplicaciones como la emisión de luz eficiente, la recogida de energía, los protocolos para la seguridad cuántica o la generación de unión entre la luz para la tecnología de información cuántica. La imperfección de fabricación ineludible en estos sistemas impone unos límites de rendimiento que dificultan su funcionalidad y, por lo tanto, se consideran molestos.

Aun así, en la natura, las funcionalidades se optimizan no necesariamente a través de la simetría. En esta charla, revisaré el papel de la imperfección en la natura y cómo se explota en muchos sistemas y situaciones diferentes que van desde los sistemas cuánticos nanométricos, a través de la visión humana incluso su papel en la polinización de las abejas.

Pedro David García Fernández,

Mi principal objetivo científico es comprender como la entropía lleva a la complejidad. Además, como se puede utilizar la complejidad como recurso para obtener una funcionalidad determinada. La entropía trae a imperfecciones estructurales, trastornos y dispersión múltiple, que en general son perjudiciales para cualquier tecnología, especialmente a escala nanométrica y ambos en los regímenes clásicos y cuánticos. Aun así, el desorden y la aleatoriedad son de naturaleza omnipresente. En particular, he centrado mi atención para explorar como se emite y se propaga la luz a través de estructuras donde la función dieléctrica es en la escalera de longitud de ola. Este tema de investigación fundamental tiene aplicaciones importantes en muchos ámbitos relevantes, como por ejemplo la recogida de energía, la obtención de imágenes, las pérdidas, la óptica cuántica o el procesamiento de información.

La fotónica de desorden ofrece un mapa de ruta alternativo para adaptar y explotar la interacción entre la luz y la materia. A la nanoescala, el proceso de fabricación se hace más bien sensible a pequeñas desviaciones que inducen imperfección inevitable a los dispositivos diseñados. Los procesos como la electrodinámica cuántica o lo la luz laser son especialmente sensibles a estas imperfecciones, puesto que requieren un alto grado de precisión en el dispositivo final. Aun así, el trastorno puede ser explotado para conseguir un confinamiento muy eficiente de la luz a la nanoescala.

He desarrollado mi carrera investigadora en Madrid, Florencia, Copenhague y hoy en día en Barcelona, donde actualmente estoy explorando nuevas funcionalidades inducidas por desorden. En particular, estudio el papel de las no linealidades materiales para modular los modos de estos sistemas. Además, exploro el papel del desorden en la optomecánica donde se incluyen las vibraciones mecánicas de la materia como un nuevo grado de libertad en el control de la interacción de la luz-materia.

Las estructuras ordenadas y simétricas son responsables de gran parte de las propiedades de muchos materiales diferentes desde los cristales atómicos a los colores iridiscentes de, por ejemplo, piedras preciosas como opales (ver imagen). Sin embargo, la perfección completa es fundamentalmente imposible en la natura y el desorden siempre juega un papel en muchos sistemas físicos. En esta charla, revisaremos algunas situaciones físicas donde el desorden incluso ayuda a obtener una determinada funcionalidad.

Emisión en streaming:
http://www.streamingbarcelona.com/plataforma/residenciainvestigadors/