Arthur Ashkin: Manteniendo la vida quieta con luz

A los diez años, en el Brooklyn de la Gran Depresión, Arthur Ashkin quedó fascinado por un radiómetro de Crookes, esa pequeña bombilla de vidrio con aspas blancas y negras que gira cuando se le aplica luz. Descubrió que el calor, no la luz en sí, era lo que producía el empuje, y observó que las aspas invertían su dirección si calentaba la bombilla desde fuera. Sesenta años después, el Comité Nobel le otorgaría la mitad del Premio de Física por la versión madura de aquella pregunta infantil: ¿puede un rayo de luz realmente sujetar materia? Podía. Tenía noventa y seis años cuando le avisaron y dijo que no podía emocionarse demasiado al respecto.

Brooklyn, radar y un hermano que llegó primero

Ashkin nació el 2 de septiembre de 1922 en Brooklyn, Nueva York, hijo de Isadore Ashkin, quien emigró de Odesa a los dieciocho años y montó un laboratorio dental en Manhattan, y de Anna Fishman. Hubo tres hijos supervivientes: un hermano mayor, Julius, Arthur y una hermana menor, Ruth. Julius marcó un ritmo intimidante, obteniendo un doctorado en física en Columbia a los veintidós años y terminando por dirigir el departamento de física en Carnegie Tech.

Arthur le siguió a Columbia en 1940, tras salir de la escuela secundaria James Madison. La guerra le interrumpió; la pasó como técnico en el Laboratorio de Radiación construyendo magnetrones para radar militar, bajo un supervisor llamado Sid Millman que resultaría decisivo dos veces. Ashkin terminó su licenciatura en física en 1947 con una llave Phi Beta Kappa, luego fue a Cornell con la Ley G.I., obteniendo su doctorado en física nuclear en 1952 con una tesis sobre la dispersión de electrones y positrones. En Cornell conoció a Aline, con quien se casó en 1954 y permaneció casado durante más de sesenta años.

Cuarenta años en Bell Labs

Millman, por aquel entonces en los Laboratorios Bell, recomendó a su antiguo técnico. Ashkin llegó en 1952 y permaneció cuarenta años. La primera década la dedicó a las microondas y los tubos de electrones, un trabajo respetable y nada destacable. Luego llegó el láser y, alrededor de 1960, Ashkin cambió de campo por completo, hacia la óptica no lineal, fibras ópticas, osciladores paramétricos y amplificadores. Durante la década de 1960 fue uno de los codescubridores del efecto fotorrefractivo en cristales piezoeléctricos. Llegaría a tener cuarenta y siete patentes.

Pero nunca había abandonado la cuestión del radiómetro. La luz transporta momento. Eso no es controvertido: Maxwell lo había dicho, y la presión de radiación es la razón por la que las colas de los cometas apuntan lejos del sol. El problema es que la fuerza es absurdamente pequeña. Nadie esperaba que fuera útil para empujar algo que se pudiera ver.

Qué hacen realmente las pinzas ópticas

La idea de Ashkin fue que un láser no solo empuja. Si se enfoca un rayo con precisión, se crea un gradiente de intensidad pronunciado: muy brillante en el punto focal, más tenue a una fracción de milímetro de distancia. Una partícula transparente situada en ese gradiente actúa como una lente diminuta, curvando la luz que la atraviesa. Según la tercera ley de Newton, curvar la trayectoria de la luz empuja la partícula, y el resultado neto es una fuerza que arrastra la partícula hacia el punto más brillante y la mantiene allí.

Así que hay dos fuerzas en juego: la fuerza de dispersión, que empuja la partícula a lo largo del rayo, y la fuerza de gradiente, que la atrae lateralmente hacia el núcleo del rayo. Equilíbralas y tendrás una trampa. Consigue que el enfoque sea lo suficientemente pronunciado y la fuerza de gradiente por sí sola puede mantener una partícula contra el empuje, en las tres dimensiones, con un solo rayo. Eso es una pinza óptica: un nudo de luz con algo atrapado en su interior.

Ashkin publicó el primer artículo sobre atrapamiento óptico en 1970. El Departamento de Física Teórica de Bell Labs lo rechazó inicialmente; su jefe Rudi Kompfner los desautorizó y le dijo que lo enviara de todos modos. Se convirtió en el artículo más citado de su año y desde entonces ha superado las cinco mil citas. En 1971 levitó pequeñas esferas de vidrio contra la gravedad. La trampa de gradiente de un solo rayo, la verdadera pinza, llegó en la década de 1980, y la técnica se data convencionalmente en 1986.

De cuentas de vidrio a células vivas

El paso que hizo famoso a Ashkin fuera de la física fue biológico. Descubrió que podía atrapar no solo esferas de látex, sino también bacterias, virus y, finalmente, células vivas completas, y —lo que es fundamental— que al cambiar a luz infrarroja podía hacerlo sin cocinarlas. De repente, los biólogos tenían un par de manos lo suficientemente pequeñas como para sostener un solo orgánulo. Las pinzas ópticas se utilizaron después para medir las fuerzas generadas por motores moleculares como la kinesina caminando a lo largo de un microtúbulo, para estirar moléculas de ADN individuales y para manipular células individuales sin tocarlas.

Hubo un legado paralelo en la física. El trabajo de atrapamiento de Ashkin formó la base para el enfriamiento y atrapamiento láser de átomos de Steven Chu, que le valió a Chu una parte del Premio Nobel de 1997, y a partir de ahí alimentó directamente la condensación de Bose-Einstein y el láser de átomos.

El premio, veinte años tarde

El 2 de octubre de 2018, a los noventa y seis años, Ashkin fue galardonado con la mitad del Premio Nobel de Física por su invención de las pinzas ópticas que atrapan partículas, átomos, virus y otras células vivas con sus dedos de rayo láser. Gérard Mourou y Donna Strickland compartieron la otra mitad por la amplificación de pulso gorjeado. Era la persona de mayor edad en recibir un Nobel en el momento de la concesión, un récord que duró solo un año hasta que John Goodenough obtuvo el Premio de Química a los noventa y siete años.

Los otros honores se acumularon constantemente: elección para la Academia Nacional de Ingeniería en 1984 y la Academia Nacional de Ciencias en 1996, la Medalla Charles Hard Townes en 1988, la Medalla Frederic Ives en 1998, el Premio Joseph F. Keithley en 2003, el Premio Harvey en 2004 y la inclusión en el Salón de la Fama de los Inventores Nacionales en 2013. Se retiró de Bell Labs en 1992 y siguió trabajando, en un laboratorio en el sótano de su casa en Rumson, Nueva Jersey.

Por qué llaman genio a Arthur

La cualidad que se exhibe en la carrera de Ashkin no es la potencia analítica bruta; no era un teórico, y la física de la presión de radiación estaba bien establecida antes de que él la tocara. Es algo más raro y difícil de enseñar: una imaginación inusualmente literal, junto con la paciencia para perseguir una pregunta durante cincuenta años sin apoyo institucional.

Todo el mundo sabía que la luz transportaba momento. Ashkin fue quien preguntó qué pasaría si realmente intentaras recoger algo con ella, y luego siguió construyendo aparatos hasta que funcionó. El artículo de 1970 fue rechazado por el grupo de teoría de su propia institución. En efecto, le dijeron que el efecto era demasiado débil para importar. Tenía razón y ellos estaban equivocados, y lo que le dio la razón fue una intuición física sobre cómo una cuenta transparente refracta un rayo: una imagen mental, no una ecuación.

El contraargumento honesto: no descubrió nueva física. Las pinzas ópticas son una aplicación brillante de principios comprendidos, y el Nobel llegó, al final, por un instrumento. Bell Labs en esa época era una máquina extraordinaria para convertir a buenas personas en productivas, y Ashkin tuvo cuarenta años de ella, con un jefe dispuesto a anular a los escépticos. Gran parte de la biología que hizo indispensable la técnica fue realizada por otros. Lo que es genuinamente suyo es la obstinación de la idea original, y el hecho de que una técnica ahora utilizada en laboratorios de todo el mundo surgiera de un hombre que se negaba a abandonar una pregunta que hizo por primera vez de niño, mirando un juguete giratorio.

Legado

Ashkin falleció el 21 de septiembre de 2020, a los noventa y ocho años. Sus tres hijos —Michael, profesor de arte en Cornell; Judith, instructora de Tai Chi; y Daniel, científico de cerámica— ninguno le siguió en la física. Su instrumento lo hizo mejor. Las pinzas ópticas son ahora equipamiento estándar en biología celular, biofísica y física atómica, y la capacidad de mantener una sola bacteria viva inmóvil en un rayo de luz, que sonaba como un truco de magia en 1970, es ahora algo que un estudiante de posgrado prepara antes del almuerzo.