La profesora Margaret Murnane (1959) siempre ha sentido pasión por la física. Dirige uno de los grupos de investigación más relevantes en ciencia en el JILA, un instituto compartido por la Universidad de Colorado en Boulder y el NIST. Es miembro de la Sociedad Estadounidense de Física, de la Sociedad Óptica Estadounidense, de la Academia Nacional de Ciencias y de la Academia Estadounidense de las Artes y las Ciencias, entre otras instituciones.

Ha sido Medalla y Premio Isaac Newton del Institute of Physics en 2022 por «sus contribuciones pioneras al desarrollo de láseres ultrarrápidos y fuentes coherentes de rayos X y su uso para comprender la naturaleza cuántica de los materiales». Es doctora honoris causa por el Trinity College de Dublín, la Universidad de Uppsala y, recientemente, por la Universidad de Salamanca.

Una infancia con un acertijo diario

Como vemos, son muchos los logros de nuestra científica, pero ¿por qué escogió física como su opción favorita para estudiar y formarse? ¿Por qué una niña, una joven, elige hacer ciencia?

En su discurso de agradecimiento en el Paraninfo de la Universidad de Salamanca, Margaret Murnane dijo:

Pasé mi infancia en la Irlanda rural y nadie en mi familia había estudiado en la universidad, así que nunca imaginé que yo sí iría, y mucho menos que estaría hoy aquí con ustedes. Afortunadamente, con la ayuda y el apoyo de mi familia, mi compañero Henry Kapteyn y mis amigos, he podido desarrollar una vida increíble como científica y ofrecer esa misma oportunidad a mis propios alumnos. Además, he sentido una gran alegría al ayudar a otros a perseguir sus sueños. Este privilegio fue posible gracias a una estrategia nacional que valoraba la educación y el conocimiento. A principios de los años 60 en Irlanda, cuando yo era pequeña, muy poca gente tenía la oportunidad de cursar estudios superiores. Por suerte, Irlanda invirtió en sus universidades: se crearon más plazas para estudiar carreras y potenciar la investigación. Así, formé parte de una primera cohorte más amplia que tuvo ocasión de estudiar en la universidad, que constituía aproximadamente el 10 % de estudiantes cuando yo estaba en el instituto. Pero, por suerte, hoy en día son muchos más.

Mi padre era maestro. Durante 40 años dio clase a niños de seis años, unos 40 cada curso. Su sueño era estudiar botánica en la universidad, pero nunca tuvo la oportunidad. Cada tarde, cuando volvía a casa, me planteaba un acertijo matemático y, si lo resolvía, me daba una Coca-Cola o chocolate, lo cual me encantaba. Como mi padre había enseñado a niños de seis años durante mucho tiempo, sabía exactamente cómo funcionaba el cerebro de los más pequeños: si asocias algo positivo a la resolución de un rompecabezas, conseguirás que los niños quieran hacerlo el resto de su vida. Ayuda a que la gente sea feliz haciendo algo útil y que le guste. Esto me sirvió de preparación para los numerosos rompecabezas de física que más tarde tendría que resolver. La Física era mi peor asignatura en el instituto: podía sacar sobresaliente en casi todas las demás asignaturas excepto en Física, pero me encantaba. Quién me iba a decir que después, como estudiante de doctorado, mi trabajo de tesis consistiría en construir el pulso de rayos X más corto de la época.

Pasión por la óptica

La joven Margaret se dedicó a la física y hoy sus descubrimientos en la ciencia de rayos X y láseres ultrarrápidos han transformado el campo de la óptica. Han hecho posible capturar la dinámica cuántica en las escalas de tiempo más rápidas relevantes para átomos, moléculas y materiales.

Sucesión (arriba a abajo) de una interferencia constructiva.

Muchos de sus logros se basan en un fenómeno óptico llamado interferencia constructiva: cuando dos ondas iguales sincronizadas (en fase) se encuentran , la intensidad resultante no se duplica, sino que se cuadruplica. Una extensión de este concepto permitió a Margaret diseñar el láser de rayos X más preciso que se conocía hasta la fecha.

Los rayos X son un tipo de radiación electromagnética (luz) con una frecuencia muy alta. Eso hace que tengan una altísima energía y esto les proporciona muchas ventajas. Sin embargo, para crear rayos X hay que invertir una cantidad muy elevada de energía. Margaret resolvió este nuevo rompecabezas de una manera muy gráfica: si se pulsa suavemente una cuerda de guitarra, ésta sonará con su tono fundamental. Si pulsamos la misma cuerda con más fuerza, además de la frecuencia fundamental sonarán los armónicos, sonidos cuyas frecuencias son múltiplos de la primera: el doble, el triple, etc. Pero no podemos aumentar la fuerza indefinidamente porque llegará un momento en el que la cuerda se rompa. La profesora Murnane utilizó átomos en lugar de cuerdas y un láser en lugar de púa; ionizó millones de átomos con una energía muy alta proveniente de un láser y, cuando se deshicieron, emitieron armónicos de orden muy alto (hasta de orden 5000), de una frecuencia mucho mayor que la del láser-púa, llegando al rango de los rayos X. Además, como todos los átomos emiten de forma coordinada, tenemos una luz coherente, que es una de las características del láser. Este método de generación de rayos X permite también controlar la duración de la luz generada y consigue pulsos extremadamente rápidos y, por tanto, extremadamente potentes para «tomar muchas fotos en intervalos muy pequeños de tiempo».

Un campo de aplicación es el de los microscopios de rayos X, que existen desde hace 60 años. Utilizar rayos X es muy interesante porque su corta longitud de onda permite distinguir objetos muy pequeños. Sin embargo, siempre han estado limitados por difracción, ya que no hay lentes para rayos X suficientemente eficaces. Pero con el avance de Murnane, disponemos de láseres de rayos X que esquivan esta dificultad sustituyendo las lentes por un algoritmo capaz de extraer la imagen de la luz dispersada por un objeto. Así se obtienen imágenes con resoluciones espaciales determinadas únicamente por la longitud de onda de la luz iluminadora. En la actualidad, la industria de semiconductores utiliza estas tecnologías para la investigación y el desarrollo de materiales avanzados.

Son muchas las aplicaciones de la óptica ultrarrápida y muy amplio el ámbito en el que la física experimental de la profesora Murnane puede utilizarse.

Un referente

Margaret Murnane es un referente para jóvenes con ganas de hacer buena ciencia. Su investigación ha propiciado colaboraciones muy provechosas y no sólo en el terreno de la física experimental en el que ella es una de las pioneras en Estados Unidos, sino con equipos dedicados a la física teórica con los que establece una sinergia que acelera conocimientos y progresos en muchos ámbitos como la medicina, la biología, la química, la nanotecnología de nuevos materiales, etc. En este caso, muchos científicos han dado grandes pasos en sus teorías al tratar de explicar los descubrimientos experimentales de Murnane. La clave es siempre la variedad de perspectivas para seguir aprendiendo y avanzando en ciencia.

La colaboración más bonita la tiene con su marido, el doctor Kapteyn, con el que comparte maravillosas y densas conversaciones sobre física. Él siempre ha estado a su lado.

Margaret Murname, Dra. Honoris Causa por la USAL.

Murnane ha prestado especial atención a la eliminación de barreras de género al liderar el Comité de la Sociedad Estadounidense de Física sobre la Condición Jurídica y Social de las Mujeres en la Física. Participó del Site Visit Team para mejorar la condición de las mujeres dentro de la física durante más de una década, presidiendo el programa durante tres años. Su objetivo era animar y sugerir ideas a los jefes de departamento para atraer y retener a mujeres, estudiantes y profesoras.

Otro mérito de Murnane ha sido el abaratamiento de la construcción de láseres, en especial de su láser de rayos X. Con sus descubrimientos, ya no son necesarias grandes instalaciones y grandes edificios como las de los sincrotrones o las que se necesitan para fabricar láseres de electrones libres; los láseres basados en los descubrimientos de Margaret se han ganado el apodo de fuentes de luz de sobremesa. Como son más baratos, laboratorios más modestos pueden disponer de ellos y estudiarlos, colaborando y enriqueciéndose unos a otros.

Por toda esta ciencia compleja pero cercana a la vez, por su constancia como investigadora, por su capacidad de enfrentarse a nuevos acertijos, podemos considerar a Margaret Murnane un referente para las niñas y las jóvenes. Como muchas científicas y muchos científicos, Margaret Murnane sigue buscando soluciones a los rompecabezas, sigue buscando resquicios por los que asomarse a la solución. «Hay una grieta en todo, es así como entra la luz», como dice en Anthem Leonard Cohen, es la frase que abre la página del Grupo de Investigación en Aplicaciones del Láser y Fotónica de la Universidad de Salamanca.

Referencias

• Adams DE, Woods CS, Murnane MM, Kapteyn HC (2015). Nanoscale Imaging: Tabletop high harmonics illuminate the nano-world. Laser Focus World 2015-05
• Margaret Murnane, Wikipedia
• Margarte Murnane, página web del JILA
• Murnane MM (2023). Discurso de aceptación del Doctorado Honoris Causa por la Universidad de Salamanca
• Popmintchev T, Chen MC, Arpin P, Murnane MM, Kapteyn HC (2010). The attosecond nonlinear optics of bright coherent X-ray generation. Nature Photonics 4, 822–832. DOI: 10.1038/nphoton.2010.256
• Rego L, Dorney KM, Brooks NJ, Nguyen QL, Liao C-T, San Román J, Couch DE, Liu A, Pisanty E, Lewenstein M, Plaja L, Kapteyn HC, Murnane MM, Hernández-García C (2019). Generation of extreme-ultraviolet beams with time-varying orbital angular momentum. Science 364-6447 aaw9486. DOI: 10.1126/science.aaw9486

Sobre la autora

Marta Bueno Saz es licenciada en Física y Graduada en Pedagogía por la Universidad de Salamanca. Actualmente investiga en el ámbito de las neurociencias.

Fuente:  Margaret Murnane resuelve el acertijo de lo ultrarrápido y lo nanopequeño