Nobel de Física 2009 per als inventors de la CCD

CCD

Aquesta setmana s’han lliurat els premis Nobel de l’any 2009 i el que correspon a la Física ha estat realment justificat. Enguany l’inventor de la fibra òptica, Charles K. Kao, i els del dispositiu CCD, Willard S. Boyle i George E. Smith, han estat els guardonats amb el premi Nobel de Física, la quantitat econòmica del qual correspon la meitat per al primer i l’altra meitat per als altres dos.

De la fibra òptica, tot i reconéixer la seua importància en les comunicacions actuals, no en vaig a parlar. Tanmateix del dispositiu CCD no puc deixar d’explicar la seua importància i el seu ús extens en tan gran mesura que sense aquest dispositiu la societat actual seria ben diferent. No només el seu us és general en astronomia, i per això en parle en aquest bloc, sinó que també ho és a la societat.

Però que és un dispositiu CCD o més usualment CCD? Algú sap que és això? A primera vista sembla algun artilugi tecnològic que pocs fan servir però res més allunyat de la realitat. Estic segur que a casa en teniu 2 o 3  ja que la CCD és el sensor digital que converteix les imatges en corrents elèctrics i permet obtenir fotografies digitals. Està, per tant, a tots els telèfons mòbils amb càmera, a les càmeres digitals i a les càmera de vídeo, tant domèstiques com professionals.

Tot va començar amb un efecte inexplicat pel qual la llum és capaç d’arrancar electrons d’un metall. I Albert Einstein ho va solucionar l’any 1905…
Segueix…

A finals del segle XIX i principis del XX un efecte desconcertava els físics. Una llum incident sobre la superfície d’un material, normalment metall, és capaç d’arrancar electrons. Mirant la llum com una ona, que ho és, no hi havia explicació possible. Einstein ho explicà proposant que la llun consisteix de petites partícules, que ara anomenem fotons, que porten energia que és proporcional a la seua freqüència.
Els electrons de la matèria absorbeixen aquesta energia que necessiten per escapar-se del material.

Einstein publicà els seus resultats aquell any miraculós (per a ell) de 1905. L’efecte fotoelèctric només s’explica si la llum es comporta com a partícula, no com a ona. Tanmateix altres efectes indiquen que també és una ona…  Quin gran misteri és la llum…

L’efecte fotoelèctric s’aplica a tota mena de detectors, el més conegut dels quals és el que fa tancar les portes dels ascensors. També és a la base de la fotosíntesi per la qual les plantes s’alimenten del carboni del CO2 de l’aire mitjançant la llum solar.

Albert Einstein rebé el Premi Nobel de Física de 1921 “pels seus serveis a la física teòrica i, especialment, pel seu descobriment de la llei de l’efecte fotoelèctric“.

I que passaria si aquests electrons ejectats es pogueren comptar i transportar per un cable elèctric? A primer cop d’ull està clar que quan més fotons incidents més electrons tindrem i per tant més corrent elèctric.

Si construïm una malla amb elements suficientment petits d’un material capaç d’ejectar electrons amb la llum incident, cada element de la qual anomenarem píxel, i sobre aquesta malla projectem una imatge formada per un element òptic (càmera, telescopi, etc…), la llum de la imatge provocarà un allau d’electrons en cada píxel. Els més allumenats tindran molts electrons, el que no s’allumenen no en produiran cap o molt pocs.

Si som capaços de treure aquest electrons produïts en cada píxel individual sense mesclar-los amb els dels altres píxels, serem capaços de reproduir digitalment la imatge lluminosa. I això és el que van aconseguir George Smith i Willard Boyle dels Laboratoris Bell l’any 1969. Mitjançant un ingeniós sistema de variació de voltatge amb els píxels contigus, la càrrega elèctrica és transportada cap a fora de la matriu de píxels per finalment combinar-se per formar una imatge digital. És el que s’anomena procés de lectura, necessita un temps i és el causant que en les primers càmeres es trigara una mica en poder fer una segona foto. El dispositiu s’anomena Charge Coupled Device (CCD), en català, Dispositiu de Càrrega Acoblada.

buckets

Ací dalt teniu un esquema que és un símil d’una CCD amb pluja (que fa de llum), pots (píxels) i el transport de l’aigua recollida (electrons) cap a la línea de transferència de càrrega.

En astronomia, la CCD ha substituït totalment la fotografia analògica, la de rodet,  des de principis dels anys 90. Els astrònoms van estant provant i millorant la CCD durant tota la passada dècada fins que finalment la tecnologia va passar a l’àmbit domèstic. I ara les càmeres digitals són ja a l’abast de tothom. I a més fa poc va eixir la nova tecnologia CMOS que és semblant a l’explicat anteriorment però el corrent elèctric produït en cada píxel es recull directament sense transport pels altres píxels. Això fa el dispositiu molt més ràpid amb un temps de lectura sensiblement menor.

Sense la contribució dels guardonats George Smith i Willard Boyle, avui encara faríem les fotos amb les càmeres de rodet. I el món seria molt menys digital….

Imatge:
1.- CCD.
2.- Simulació amb aigua del funcionament d’una CCD. Cornell University