El Premio Nobel de física 2009 ha sido otorgado a tres investigadores cuyo trabajo ha formado la base de las telecomunicaciones y las imágenes digitales modernas. El premio reconoce a Charles K. Kao, cuyos descubrimientos condujeron al avance de la fibra óptica, así como a Willard S. Boyle y George E. Smith, que inventaron el sensor de imagen CCD (charge-coupled device).

Las fibras ópticas se usan para transportar casi todos los datos de telecomunicaciones y son la espina dorsal de internet. “Cuando se combinan con el láser y el transistor, la invención de un tipo de fibra óptica eficiente y de baja pérdida ha hecho que la comunicación sea posible en todo el mundo de forma casi instantánea,” afirmó en un comunicado H. Frederick Dylla, director del Instituto Americano de Física.

El trabajo fue realizado a mediados de los años 60. La invención del láser a principios de los 60 animó a los investigadores a desarrollar un medio de transmisión práctico para la luz, que es capaz de transmitir los datos mucho más rápidamente que las ondas de radio. Las fibras ópticas, sin embargo, no parecían tan prometedoras en un principio debido a sus altas cuotas de atenuación: sólo alrededor de un 1 por ciento de la luz enviada a través de la fibra se lograba transmitir a una distancia de 20 metros como mucho.

La visión de Kao se enfocó no sólo en la física de la luz, sino en las propiedades materiales del medio en sí mismo. En 1966, en sus tiempos como joven ingeniero en los Laboratorios Standard Telecommunication de Harlow, Reino Unido, Kao descubrió las causas de la atenuación en la fibra óptica: las impurezas de hierro hacían que la luz fuese absorbida y esparcida. El cristal puro, según su sugerencia, funcionaría mejor para el transporte y también presentaría una serie de ventajas a nivel de costes.

Después de llevar a cabo estudios posteriores sobre la forma en que viaja la luz de distintas longitudes de onda a través de distintos medios, Kao y sus colegas señalaron que el dióxido de silicio era el mejor material. No obstante, no resulta fácil trabajar con el dióxido de silicio. Un grupo de investigadores en Corning Glass Works llevó a la práctica los diseños de Kao en 1970, utilizando una cámara de reacción de alta presión para formar las primeras fibras ópticas de baja pérdida, y otro equipo en los Laboratorios Bell refinó la técnica de manufactura para reducir los costes.

Las fibras ópticas modernas son incluso mejores de lo que Kao predijo, y sólo tienen pérdidas del 5 por ciento de la luz a lo largo de una distancia de un kilómetro. En 1988 se instaló la primera fibra óptica intercontinental entre Europa y América, de 6.000 kilómetros; hoy día existen alrededor de mil millones de fibra óptica alrededor del mundo, y cada día se añaden más.

La otra mitad del Premio Nobel de física de este año ha recaído en los inventores del CCD, un dispositivo que convierte las imágenes en señales eléctricas, y que por tanto ha revolucionado la fotografía y la imagen digital.

Mientras que el trabajo de Kao surgió como un decidido esfuerzo por encontrar un mejor medio de telecomunicaciones, el trabajo de Boyle y Smith no tuvo la misma anticipación. Desarrollaron el CCD en Bell Labs en 1969, después de haber esbozado el diseño básico durante una sesión de brainstorming de una hora. El principio en el que se basa el CCD es el efecto fotoeléctrico, cuya teoría fue expuesta en parte por Albert Einstein, lo que le hizo ganar el Premio Nobel en 1921. Al ser 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 red de condensadores que almacenan los electrones creados cuando el chip se ilumina. Cada condensador es un pixel. El número de electrones almacenado en cada condensador es proporcional a la intensidad de la luz en esa parte de la imagen. La imagen se puede leer al extraer 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. A lo largo de todo el espectro de luz, desde los infrarrojos hasta los rayos x, los CCDs pueden capturar un 90 por ciento de los fotones que reciben. El ojo o las cámaras de película sólo capturan un 1 por ciento de esos fotones.

Un año después de su invención, Boyle y Smith crearon una video cámara basada en el sensor de imagen digital; en 1981 Sony sacó al mercado la primera cámara CCD, la Mavica. Los astrónomos también fueron de los primeros en adoptar esta tecnología y utilizaron los sensores para capturar imágenes de objetos celestiales distantes que hasta ese momento eran invisibles.

Hoy día la tecnología CCD tiene como competidor a otro chip de imagen digita inventado alrededor de la misma época—CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor). Ambos dispositivos se basan en el efecto fotoeléctrico. Mientras que el CCD dirige a los electrones fuera del chip en un único flujo para que sean leídos, los datos provenientes de los píxeles del sistema CMOS se leen in situ, lo que ahorra energía y prolonga la vida de la batería. No obstante, el CMOS no es tan sensible como el sistema CCD, que aún cuenta con ventaja para aplicaciones avanzadas como la astronomía y las imágenes médicas.