Tres japoneses son galardonados con el premio Nobel de Física

El 7 de octubre la Real Academia Sueca de Ciencias anunció los ganadores del premio Nobel de Física 2014. Tres científicos nacidos en Japón han compartido el premio: los profesores Akasaki Isamu y Amano Hiroshi de la Universidad de Nagoya, y el profesor Nakamura Shūji de la Universidad de California, Santa Barbara.

Estos tres investigadores han obtenido este galardón por “la invención del diodo emisor de luz azul, que ha hecho posible tener una nueva fuente de luz blanca intensa y contribuido al ahorro energético”. Los LED no son una tecnología nueva, ya que han existido desde la década de 1950, pero durante muchos años los diodos que se podían producir en masa eran solo aquellos que emitían luz en el rango del rojo al verde. Los LED azules, necesarios para producir luz blanca para iluminación, fueron imposibles de conseguir hasta que estos tres investigadores japoneses abordaron el problema.

Nuevas técnicas para la nueva luz

En el corazón de un LED hay una estructura con tres capas: un cátodo con superávit de electrones, un ánodo con déficit de electrones (o “agujeros”), y una capa activa en medio de las otras dos. Cuando se aplica electricidad a las capas, esta hace que los electrones del cátodo pasen por los agujeros del ánodo hasta la capa activa, donde se recombinan para producir luz.

La estructura fundamental de un LED y las capas GaN (nitruro de Galio) que están dentro del LED azul. Ilustración © Johan Jarnestad/ Real Academia Sueca de Ciencias.

El primer logro de estos científicos llegó en 1986, cuando Akasaki y Amano lograron crear con éxito cristales de nitruro de Galio (GaN) de alta calidad. El GaN ha sido durante mucho tiempo considerado una sustancia ideal para los LED azules, pero crear las capas de los diodos – especialmente los ánodos – a partir de ella suponía un gran reto.

Akasaki y Amano pusieron una capa de nitrato de aluminio en un substrato de zafiro que resultó ser una base ideal para producir GaN de alta calidad. A finales de la década de 1980 lograron crear un ánodo con GaN, lo que les llevó a producir su primer LED azul intenso, que mostraron al mundo en 1992.

Nakamura, mientras tanto, comenzó su trabajo sobre los LED azules en 1988. En 1990 logró desarrollar la técnica para producir una primera capa de GaN a baja temperatura y posteriormente crear capas adicionales a temperaturas más altas. Al perfeccionar este método de templado térmico, una técnica mucho más sencilla que la de la irradiación con un haz de electrones utilizada por el equipo de la Universidad de Nagoya, permitió la producción en masa de ánodos de GaN. Como resultado de su trabajo los primeros diodos LED que emitían luz blanca intensa pudieron ser lanzados en 1993.

Un gran abanico de aplicaciones

El LED azul puede ser utilizado en combinación con el rojo y el verde – o más comúnmente, junto a una capa de fósforo amarillo – para producir luz blanca. Las bombillas LED, que producen 300 lumen por vatio, presentan una eficiencia energética mucho mayor que las incandescentes (16 lm/W) y que las lámparas fluorescentes (70 lm/W) que están siendo reemplazadas poco a poco. Aunque son más caras que las tradicionales bombillas de filamento, pueden durar como mínimo 40 veces más. Hay grandes esperanzas de que un rápido incremento en todo el mundo del número de estas bombillas respetuosas con el medioambiente reduzcan el consumo de energía de manera drástica.

Los LED azules son una parte integral de muchos otros dispositivos. Akasaki, Amano y Nakamura también trabajaron en un láser azul con un pequeño diodo LED azul en su núcleo. Este fino haz de láser produce luz con una longitud de onda muy corta, por lo que es perfecto para leer los datos densamente almacenados de los discos Blu-ray. Los dispositivos de LED azules y su intensa luz blanca también han encontrado un hogar en millones de teléfonos móviles, donde sirven como flash para las cámaras. También en señales de tráfico, visibles desde más lejos e incluso a la luz del día, cuando el sol hace difícil ver la luz de las señales de tráfico convencionales; o en linternas ligeras y lámparas para la cabeza que pueden iluminar los alrededores con baterías mucho más pequeñas que sus predecesoras con bombillas incandescentes. Los LED ultravioletas, el próximo salto que está en marcha en la tecnología de LED azules, están siendo utilizados en la actualidad para esterilizar agua contaminada y convertirla en potable.

Las recompensas por su trabajo

Mientras que Akasaki y Amano realizaron su investigación como académicos, Nakamura era investigador de la empresa Nichia Corp., una compañía de ingeniería química con su sede central en Tokushima que es la mayor proveedora del mundo de LED. Su búsqueda de una tecnología LED basada en el GaN no fue considerada como prometedora, y muchas personas en Nichia pensaban por aquel entonces que el dinero de la empresa debería ser dedicado a otro ámbito en lugar de a la investigación sobre los diodos. No obstante, Nakamura tuvo el apoyo del fundador de la compaía y presidente Ogawa Nobuo.

Fue una apuesta en la que salió ganando con creces la empresa, pero no Nakamura, que recibió un bonus de sólo 20.000 yenes por su invención. Cuando abandonó la compañía en 1999 para ocupar un puesto de profesor en la Universidad de California, Santa Barbara, alegó que la falta de un entorno en las empresas japonesas para cultivar y apoyar a los investigadores motivados fue un factor detrás de esa decisión. Poco después demandó a Nichia para exigir una mayor parte de los beneficios conseguidos por su invención. Una decisión del tribunal de primera instancia ordenó que le correspondía una sorprendente cantidad de 20.000 millones de yenes, casi un tercio de lo que se estima que Nichia había logrado conseguir gracias a las patentes de este invento. En enero de 2005 llegó a un acuerdo con la empresa por un valor de 840 millones de yenes.

Dejando a un lado este drama, estos tres investigadores nacidos en Japón tienen bien merecido este premio Nobel (Nakamura, de 60 años, obtuvo la nacionalidad americana después de trasladarse a California). Akasaki, ahora profesor en la Universidad Meijō, tiene 85 años, lo que le convierte en el más veterano, comparado con Amano, que tiene 54 años. Sin duda estará muy contento de ver sus logros reconocidos en vida. Más de 20 años después de que su descubrimiento apareciera en las estanterías de las tiendas en forma de bombillas de LED, los tres han sido galardonados con el mayor premio en el mundo de la Ciencia.

(Fotografía del encabezado: Amano, Akasaki y Nakamura, ganadores del premio Nobel de Física 2014. La fotografía de Amano es cortesía de WAO Corporation. Fotografías © Jiji.)