El túnel habla con espectroscopía. Chema con Pitarke
El túnel habla con espectroscopía. Chema con Pitarke
Este joven físico, nacido en Begoña (Bilbao) en el año 960, ha recibido el premio correspondiente a la sección de investigación Azkue Sariak por su trabajo en su tesis doctoral. La entrega del Premio Azkue nos ha permitido recoger su opinión y ser prologados de la investigación en el campo de la Física.
Este joven físico, nacido en Begoña de Bilbao en 1960, ha recibido el premio correspondiente a la sección de investigación de Azkue Sariak (junto a Andoni Sarriegi) por su trabajo en su tesis doctoral. Esta tesis lleva por título "La espectroscopía de túneles y la emisión de electrones y fotones en sólidos", y ya ha dado en revistas científicas de alto nivel un tema para varios artículos, superando cómodamente el control de calidad. La entrega del Premio Azkue nos ha permitido recoger su opinión y ser prologados de la investigación en el campo de la Física. Trabaja en el Departamento de Física Teórica de la Facultad de Ciencias de Leioa, donde hemos tomado el tiempo para realizar esta entrevista.
José Ramón Etxebarria.- ¿Por qué empezó en el mundo de la Física?
Txema Pitarke.- Cuando estudiaba bachillerato en el colegio me gustaban los temas de Matemáticas y Ciencias y tenía ganas de aprender Matemáticas o Física. Alguien me dijo que era mejor aprender Física que Matemáticas y decidí aprender Física.
J.R.E.- ¿Estudió en la Facultad de Ciencias en Bilbao y después, por qué empezó a trabajar en la enseñanza?
T.P.- Cuando terminé la carrera, una de las posibilidades que había era entrar en la enseñanza. Para entonces ya tenía experiencia en el ámbito de la enseñanza y tenía ganas de investigar. La universidad era el lugar idóneo para ambas cosas.
J.R.E.- En cuanto a la enseñanza, empezó a impartir clases en euskera en la línea vasca.
T.P.- Anteriormente ya había trabajado en BBB dando clases de matemáticas en euskera, en una ikastola.
J.R.E.- ¿Cuáles fueron los primeros trabajos de investigación?
T.P.- Primero hice la tesina. Estudio teórico de la zona eléctrica local. Luego, a la hora de hacer la tesis, cambié totalmente el tema.
J.R.E.- ¿Por qué cosas teóricas?
T.P.- Siempre he tenido tendencia a hacer cosas teóricas. También me ha gustado ir a los laboratorios, pero he tenido más ganas de andar en cosas teóricas.
J.R.E.- Entonces, después de hacer la tesina, empezó la tesis. ¿Hace cuántos años con la tesis?
T.P.- Empecé Tesina en 1984 (cuando terminé la carrera en 82 y abandoné las clases de BUP), terminé en 1985 y empecé con la tesis en el 86.
J.R.E.- ¿Con quién empezó?
T.P.- Etxenike.
J.R.E.- ¿Por qué acudió a San Sebastián en busca del director de tesis?
T.P.- Ese mismo año me enteré de que Etxenike era recién llegado de Cambridge, y yo creo que era lo mejor de las posibilidades que había aquí para hacer cuestiones teóricas, y lo elegí.
J.R.E.- Entonces usted se puso en contacto con él.
T.P.- Sí, yo me di cuenta de que él estaba pensando en formar un equipo aquí a través de Fernando Plazaola. Etxenike quería gente para trabajar con él y decidí acudir a él para saber qué se podía hacer con él.
J.R.E.- Te lo tomaste bien.
T.P.- Sí. Después de conocer los trabajos de investigación que tenía en sus manos, pasé una temporada pensando si quería eso, y decidí trabajar con él.
J.R.E.- ¿La distancia no puso objeciones para ello, es decir, el paso de Bilbao a Donostia?
T.P.- No. Él ha aportado ideas y ha sido suficiente con tener tiempo para discutir de vez en cuando para sacar adelante el trabajo.
J.R.E.- Vamos adelante con la tesis. Como se ve, esta tesis densa consta de dos partes diferenciadas. ¿Explicarías qué partes son?
T.P.- Sí, la tesis consta de dos apartados principales. Por un lado, aprovechando el microscopio de túneles, hemos aprovechado los resultados experimentales obtenidos por otros investigadores para realizar un análisis teórico tanto del potencial superficial como del potencial de interacción banal, así como de los efectos de la geometría superficial. Por otro lado, se han analizado varias áreas relacionadas con la interacción de iones rápidos con los electrones que forman la materia.
J.R.E.- Empecemos por el primer capítulo. Microscopio de túneles. ¿Qué es eso? ¿Para qué?
T.P.- El microscopio de túneles fue diseñado por primera vez en 1981 por los investigadores suizos Binnig y Rohrer, galardonados con el Premio Nobel en 1986. Controlando la corriente de túneles a través del vacío entre dos metales, consiguieron ver en alta definición las posiciones de los átomos de las superficies. La idea es muy sencilla: La Mecánica Cuántica predice que la instalación de un metal puntiforme a una distancia de varios angstromas de la superficie objeto de estudio y la generación de una diferencia de potencial no nula entre ambas superficies, permite a los electrones más punteros atravesar una barrera de potencial nula, generando una corriente de túneles. También es conocido que al aumentar la distancia entre las dos superficies, la corriente del túnel disminuye exponencialmente. En consecuencia, haciendo circular la fina punta metálica por la superficie que se pretende estudiar sin tocar la muestra, los desplazamientos verticales que sufrirá la punta nos proporcionarán una imagen real de la superficie a nivel atómico, manteniendo constante la corriente del túnel, manteniendo constante la distancia entre la muestra y la punta.
J.R.E.- Se puede decir, por tanto, que la punta se mueve de átomos aproximadamente.
T.P.- Sí, cada vez que la distancia del túnel sufre un incremento de un angstrom, la corriente del túnel disminuye aproximadamente diez veces
J.R.E.- Lo que más me sorprende de esto es controlar mecánicamente el movimiento de un Á. ¿Cómo se consigue?
T.P.- Desde que Robert Oppenheimer y George Gamow dieran a conocer el efecto túnel mecánico-cuántico en 1928, es decir, dos años después de la publicación de la Mecánica Cuántica, se ha tratado de recoger la corriente experimental a través del vacío de túneles controlados. Sin embargo, no se han obtenido resultados exitosos hasta que, principalmente por problemas de vibraciones, Binnig y Rohrer, en 1981, consiguieron construir la punta eliminando vibraciones con una resolución de varios centésimas de angstroms utilizando un tríptico de material piezoeléctrico.
J.R.E.- ¿Cómo controlarlo mecánicamente? ¿Se puede construir un motor con un movimiento tan fino?
T.P.- La punta es un mecanismo de realimentación que mide la corriente del túnel y mantiene constante la distancia entre las dos superficies. La punta se desplaza verticalmente. Por tanto, la estructura atómica de la superficie muestral.
J.R.E.- En síntesis, se prepara una pieza laun para el estudio de su superficie y se realiza una especie de scan a su altura en función de las dos direcciones coordenadas del plano horizontal.
T.P.- Sí. La punta situada sobre la superficie de la muestra a una distancia de varios angstromas se desplaza a través de líneas paralelas. De esta forma se puede obtener una imagen tridimensional de la superficie una vez que el movimiento de la punta se procesa por un ordenador.
J.R.E.- ¿Y de qué manera esta famosa punta? ¿Tendrá que ser muy pequeño, no?
T.P.- Cuanto más fina sea, mayor será la resolución de las zonas. De hecho, la realización reiterada de experimentos que dan lugar a campos eléctricos violentos entre la muestra y la punta, agudiza la punta, y permite que en la corriente del túnel sólo participen los electrones correspondientes a un único átomo que le corresponda en el extremo de la punta.
J.R.E.- ¿Qué material se utiliza para ello?
T.P.- Normalmente se utilizan puntas de wolframio.
J.R.E.- Por tanto, lo que se puede hacer con esta técnica es conocer la superficie.
T.P.- La aplicación inmediata del microscopio túnel permite obtener imágenes topográficas de las superficies. También se ha demostrado que es muy útil para medir la barrera de potencial residual que encuentran los electrones de superficie y para conocer las interacciones mecánico-cuánticas entre los electrones de túnel y las superficies, y es lo que nosotros hacemos, aprovechando los resultados experimentales obtenidos por otros investigadores.
J.R.E.- Este método, por el momento, puede ser muy interesante para conocer la estructura de la materia, pero ¿queda ahí el problema, sólo a nivel teórico, o de ahí se piensa en hacer alguna aplicación, no sólo en Física Teórica, Física Aplicada y Tecnología?
T.P.- El microscopio de túneles ya se ha utilizado en Biología para dar a conocer la estructura del ADN y se han realizado varios experimentos con virus y proteínas.
J.R.E.- ¿La superficie no debe ser pues metal?
T.P.- El microscopio de túneles originales (STM) ha sido utilizado para la observación de biomoléculas, situadas sobre una superficie conductora, pero en los últimos años se han diseñado nuevos microscopios que pueden estudiar superficies no conductoras, como el microscopio de fuerza atómica (AFM) y el microscopio de túneles de fotón (PSTM).
J.R.E.- Vamos a la segunda parte de la tesis. ¿Ha hecho algo parecido?
T.P.- En el segundo apartado de la tesis se han analizado diversos aspectos relacionados con la interacción ión-materia. Por un lado, se ha estudiado el proceso por el que los electrones de colisión son emitidos por la interacción entre los pares de iones rápidos y el gas electrón, y por otro lado se ha estudiado el proceso de captura de electrones por emisión de radiación a través del anillo de canaliza a través de los sólidos.
J.R.E.- ¿Y qué interés tiene?
T.P.- El objetivo fundamental es analizar el comportamiento de las partículas que constituyen la materia. Para ello, a lo largo de los años se ha producido la interacción de la materia con diferentes tipos de partículas cargadas, y la necesidad de poder interpretar este tipo de experimentos ha obligado a analizar las interacciones entre las partículas cargadas y la materia. En 1911 Rutherford utilizó las partículas a para conocer la estructura del átomo y Bohr publicó sus primeros trabajos analizando las interacciones de las partículas cargadas que atraviesan la materia.
J.R.E.- Por ejemplo, que echamos un ejemplo. Demos una partícula, un ion. ¿Qué saldrá normalmente?
T.P.- Los iones proyectados pueden ir acompañados de electrones o fotones, entre otros.
J.R.E.- ¿Pero no tiene nada que ver con la radiactividad? ¿O es radiación radiactiva?
T.P.- No, porque las energías de los fotones que se pueden extraer en los procesos que estudiamos son de varios keV.
J.R.E.- Es por tanto algo mecánico, una especie de choque. Quiero decir, no hay reacción nuclear. ¿No habéis analizado esto?
T.P.- No. En los experimentos que habitualmente analizamos predominan las interacciones entre las cargas vertidas y los electrones que forman la materia, así como las interacciones entre los propios electrones, resultados que nos pueden reportar los procesos en los que participan los electrones.
J.R.E.- Por lo tanto, las energías serán menores que las que aparecen en las reacciones nucleares.
T.P.- Sí, claro. Aunque los proyectiles lanzados en estos experimentos son más rápidos que los electrones que forman la materia (la velocidad de Fermi suele ser aproximadamente cien veces menor que la de la luz), la velocidad de los proyectiles es, aproximadamente, diez veces menor que la de la luz.
J.R.E.- Ha mencionado algunos experimentos. ¿Hace vuestros grupos o los hace algún grupo de Euskal Herria de aquí o quién?
T.P.- No, estos experimentos se realizan en laboratorios a nivel mundial.
J.R.E.- Por lo tanto, vuestro grupo, el que estáis en Donostia y Bilbao, es teórico.
T.P.- Sí.
J.R.E.- Pero tendréis contacto con grupos experimentales. ¿De dónde son estos grupos? ¿Habéis tenido alguna relación personal o sólo a través de revistas científicas?
T.P.- Etxenike tiene relaciones con muchos grupos experimentales, en Estados Unidos, Japón, Alemania… Yo también he tenido relaciones.
J.R.E.- ¿Dónde?, por ejemplo...
T.P.- En el tercer apartado de la tesis, por ejemplo, se dedica a la realización de un estudio teórico de los procesos con los que un japonés puede dar cuenta del experimento realizado en el laboratorio de Argonne Americano, con el que estoy.
J.R.E.- ¿Cómo se llama este científico?
T.P.- Yamazaki.
J.R.E.- ¿Qué dicen estos físicos experimentales? ¿Están de acuerdo con sus explicaciones teóricas?
T.P.- Yamazaki, por ejemplo, está a la espera de la explicación de su experimento y nuestra explicación se acerca, pero todavía hay que trabajar más. En el cuarto apartado de la tesis, por su parte, se ha interpretado el déficit energético de la radiación que han estudiado los iones rápidos a través de los sólidos en el anillo de canaliza en Oak Ridge.
J.R.E.- Antes me has mencionado a Oak Ridge y a Cambridge. ¿El laboratorio local Cavendish es teórico?
T.P.- En el laboratorio Cavendish hay de todo.
J.R.E.- ¿Pero en este trabajo?
T.P.- En el laboratorio Cavendish tocé únicamente el campo correspondiente al estudio del microscopio de túneles. Tuve relación con los físicos experimentales de este campo, pero me ayudó mucho en la preparación de programas de cálculo, principalmente con el matemático local Chris Nex. Desconozco los experimentos de aquel país relacionados con las interacciones entre los iones y la materia.
J.R.E.- Por lo tanto, experimentos en Oak Ridge sí. ¿Has trabajado con esos físicos experimentales locales?
T.P.- No. Cuando he estado en Oak Ridgen sólo he hablado de teóricos, aunque hemos realizado un análisis teórico del trabajo experimental realizado en otras áreas del laboratorio.
J.R.E.- Y también has trabajado con un profesor de Madrid. ¿Eso también teórico?
T.P.- Sí. He tenido muy buenas relaciones con Flores a la hora de analizar el campo del microscopio de túneles. Ella es experta en ello, trabajando con los galardonados con el Premio Nobel, con los trabajos publicados con ellos. El área de los iones, por su parte, lo he trabajado principalmente con el profesor Ritchie de Oak Ridge. Con Etxenike he investigado ambos campos y él me ha puesto en contacto con Ritchie y Flores.
J.R.E.- ¿Tendrá continuidad este trabajo de cara al futuro?
T.P.- Creo que sí.
J.R.E.- ¿En qué ámbito?
T.P.- En ambas áreas. En este momento estoy estudiando junto con Etxenike y Ritchie los efectos no lineales de la fuerza de frenado de las partículas cargadas que atraviesan la materia. La fuerza de frenado en el límite en el que la perturbación es muy pequeña es proporcional al cuadrado de la carga del proyectil. Recientemente, por el contrario, se ha comprobado experimentalmente que las fuerzas de frenado de los protones y los antiprotones son diferentes, y la interpretación de estos resultados se debe a la contribución de una fuerza de frenado proporcional al cubo de la carga del proyectil.
J.R.E.- Cambiando de tema, por esa tesis has recibido el Premio Azkue de investigación en euskera. Es de alegría, no digamos. Cabe destacar, sin embargo, que presentó su tesis en euskera e inglés. ¿Por qué?
T.P.- Toda la documentación utilizada y los trabajos publicados por mí, todos ellos escritos en inglés, pero redacté el informe de la tesis únicamente en euskera. Para presentar la tesis en la Universidad no tenía por qué hacer traducción, una vez realizado el resumen en castellano. Sin embargo, sólo algunos de ellos podían leer la tesis escrita únicamente en euskera, ni siquiera los miembros del tribunal, y decidí traducirla. Pensé que la traducción al inglés sería más útil que la del castellano, y decidí traducirla al inglés. Así, además, todos los que formarían parte del tribunal podían leer el texto completo, ya que pensaba traer un americano.
J.R.E.- Junto a esto, usted ha trabajado en la producción de textos en euskera. Ha publicado artículos y libros. ¿Piensa continuar?
T.P.- Sí, sin duda.
J.R.E.- ¿Tienes algún trabajo en la cabeza o por el momento debes tomarte un poco de tranquilidad para calmar la tensión de los últimos años?
Ahora no tengo nada en mente, pero algo se hará, sin duda, porque ahora estoy más tranquilo.
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