Herbert Kroemer: El físico que diseñó dispositivos imposibles

En 1963, mientras trabajaba en Varian Associates en Palo Alto, Herbert Kroemer propuso un láser hecho de capas intercaladas de diferentes semiconductores. Nadie podía construirlo. Las técnicas de crecimiento de cristales necesarias no existían y no existirían hasta años después. Aun así, lo propuso. Seis décadas más tarde, el láser de doble heteroestructura es la fuente de luz dentro de las redes de fibra óptica, los reproductores de CD y, como dijo su colega de la UCSB John Bowers, el dispositivo que "habilitó Internet, transformando el mundo".

De Weimar a Gotinga

Nació el 25 de agosto de 1928 en Weimar, en un hogar sin ninguna tradición académica: su padre era funcionario, su madre ama de casa y ninguno de los dos había terminado la escuela secundaria. Alemania colapsó durante su adolescencia y él emergió de ella hacia la física. En la Universidad de Gotinga obtuvo un Diplom en 1951 y un doctorado en física teórica en 1952, escribiendo una tesis sobre los efectos de los electrones calientes en los transistores, un tema que solo tenía cinco años cuando lo eligió, ya que el propio transistor se había anunciado en 1947. Fue la primera señal de un hábito de toda la vida: vincularse a tecnologías antes de que se hubieran consolidado.

Una década inquieta en la industria

Los veinte y treinta años de Kroemer transcurrieron moviéndose entre laboratorios industriales en dos continentes, un patrón que parece disperso hasta que uno nota que siguió trabajando en la misma idea. Comenzó en 1952 en el laboratorio de investigación de telecomunicaciones del Servicio Postal Alemán en Darmstadt. A mediados de la década de 1950 pasó a los Laboratorios RCA en Princeton, Nueva Jersey. De 1957 a 1959 estuvo en el laboratorio de investigación de Philips en Hamburgo. En 1959 se trasladó a Varian Associates en Palo Alto y permaneció allí durante la década que produjo su trabajo más trascendental.

En el camino inventó el transistor de deriva, un dispositivo que utilizaba un perfil de impurezas graduado para empujar a los portadores a través de la base más rápido de lo que permitía la difusión por sí sola. Fue el comienzo de una idea que dedicaría toda una carrera a elaborar: que se podía diseñar el paisaje interno de un semiconductor para hacer que los electrones se comportaran de formas que la naturaleza no había dispuesto.

El transistor que necesitaba dos materiales

En RCA, Kroemer desarrolló el concepto del transistor bipolar de heteroestructura. Los dispositivos semiconductores convencionales se construyen a partir de un solo material: silicio, dopado de manera diferente en distintas regiones. La propuesta de Kroemer consistía en unir dos semiconductores diferentes, de modo que el cambio abrupto en la banda prohibida en la interfaz actuara por sí mismo como una fuerza sobre los portadores, un campo cuasi-eléctrico sin necesidad de voltaje externo. A mediados de la década de 1950 identificó las ventajas de rendimiento específicas que esto ofrecería. El argumento era teóricamente limpio y prácticamente prematuro; la ciencia de materiales necesaria para crear uniones atómicamente nítidas entre cristales diferentes estaba a décadas de distancia.

Un láser que nadie podía construir

La propuesta de doble heteroestructura de 1963 fue la misma lógica aplicada a la luz. Confinar tanto a los portadores como a los fotones en una capa activa delgada entre dos capas de revestimiento de banda prohibida más ancha, argumentó Kroemer, y se obtiene un láser que puede funcionar continuamente a temperatura ambiente en lugar de en pulsos criogénicos. Fue el principio de diseño que convirtió al láser semiconductor en un objeto utilizable en lugar de una novedad de laboratorio. Zhores Alferov, trabajando de forma independiente en Leningrado, persiguió el mismo territorio; en el año 2000, ambos compartieron el Premio Nobel de Física "por el desarrollo de heteroestructuras semiconductoras utilizadas en optoelectrónica y de alta velocidad".

En 1964, Kroemer publicó la primera explicación correcta del efecto Gunn, el mecanismo detrás de las oscilaciones eléctricas de alta frecuencia en ciertos semiconductores, otro caso de llegar a la física antes de que el campo se hubiera puesto de acuerdo sobre la pregunta.

Santa Bárbara y la apuesta por los compuestos

Ingresó al mundo académico en 1968 como profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de Colorado en Boulder, y en 1976 se trasladó a la Universidad de California, Santa Bárbara, donde ocupó la Cátedra Donald W. Whittier de Ingeniería Eléctrica con un nombramiento conjunto en Materiales. Allí hizo una apuesta institucional tan contraria como sus apuestas científicas: persuadió a un departamento para que invirtiera en semiconductores compuestos (arseniuro de galio y sus parientes) en lugar del silicio que dominaba todo. Fue el primer miembro de lo que se convirtió en un grupo líder mundial. También se convirtió en experimentalista tarde, siendo pionero en la epitaxia de haces moleculares en la UCSB y aplicándola a sistemas de materiales que nadie había probado, construyendo finalmente las interfaces atómicamente precisas que su teoría de la década de 1950 había asumido. Se jubiló en 2012.

Maestro, autor de libros de texto, caballero

Kroemer escribió dos libros de texto de una claridad inusual: Thermal Physics, cuya segunda edición produjo con Charles Kittel en 1980, y Quantum Mechanics for Engineering, Materials Science and Applied Physics. Sus colegas recordaban a un hombre con un agudo sentido del humor que hablaba de física con un visitante de la escuela primaria tan fácilmente como con un estudiante de posgrado, y que hacía preguntas difíciles en los seminarios sin hacer nunca que la respuesta pareciera un veredicto. El decano Umesh Mishra lo comparó con un gurú en el sentido indio: alguien que transmite "moral, ética, liderazgo, amabilidad y generosidad" junto con el contenido técnico. Shuji Nakamura atribuyó al concepto de heteroestructura de Kroemer la posibilidad de su propia invención del LED azul. Kroemer se convirtió en ciudadano estadounidense naturalizado en 2003 y era un ateo franco: la religión, decía, era "solo una ilusión".

Por qué Herbert es llamado un genio

La facultad distintiva aquí es la física de dispositivos anticipatoria: la capacidad de razonar correctamente sobre el comportamiento de una estructura que aún no se puede fabricar, y confiar en el razonamiento durante veinte años mientras todos los demás esperan pruebas. Kroemer describió la disposición él mismo, sin falsa modestia y sin pretender brillantez: "Desde el principio, siempre me han interesado las cosas que estaban varias generaciones por delante de lo que la gente podía hacer. Los pequeños pasos realmente no me interesaban. Me interesaban los grandes pasos". Su consejo a sus colegas más jóvenes se derivaba de ello: trabaja en lo que te interese, ignora las aplicaciones, sé oportunista.

Lo que el registro realmente respalda es el juicio más que la potencia de procesamiento bruta. Tres veces (el transistor de heterounión, el láser de doble heteroestructura, el efecto Gunn) identificó el principio físico correcto años antes que la comunidad y antes que la tecnología. Esa es una tasa de aciertos poco común, y es la razón por la que el comité Nobel, el jurado de la Medalla de Honor del IEEE en 2002 y el estado alemán con su Gran Cruz de la Orden del Mérito estuvieron finalmente de acuerdo.

El contraargumento es honesto y vale la pena exponerlo. Kroemer no construyó el láser por el que es famoso; el grupo de Alferov y los laboratorios industriales hicieron el crecimiento de cristales que lo hizo realidad, y Alferov compartió el premio por una buena razón. Las ideas que no se pueden probar durante dos décadas son baratas de generar y caras de validar, y el historial de Kroemer incluye propuestas que solo importaron porque otros tuvieron la paciencia de realizarlas. Los colegas recurrieron más a menudo a "caballero" y "gurú" que a "genio". El veredicto justo es que tenía una intuición física inusualmente fiable y el valor de publicarla pronto.

Legado

Cada enlace de fibra óptica, amplificador de potencia de teléfono móvil, transmisor de satélite y bombilla LED funciona según el principio que Kroemer defendió cuando nadie podía implementarlo: que diseñar el paisaje de la banda prohibida dentro de un dispositivo es más poderoso que diseñar el dispositivo alrededor de un solo material. Murió el 8 de marzo de 2024 en Santa Bárbara, a los 95 años, habiendo vivido lo suficiente para ver cómo se construía un mundo a partir de sus sándwiches.