"CCDs: de fotones a fotos" ha sido el título de la conferencia impartida en la Facultad de Ciencias Físicas, por Víctor Zamora, estudiante de doble grado de Física y Matemáticas. Alfredo Luis Aina, profesor del Departamento de Óptica, miembro del Club de Óptica Cuántica, y convocante de la iniciativa, explica que la idea de estos seminarios es que "un estudiante le cuente a los demás sus conocimientos, sobre todo cuando se trata de algo vivencial, como en el caso de Víctor Zamora, que en una de sus estancias en el extranjero, ha trabajado con estos dispositivos. Es decir, que no es algo que se hace dentro de una asignatura o para conseguir unos créditos, sino que simplemente estamos aquí porque nos gusta la Física y podemos disfrutar con ella". Informa Luis Aina que ya el curso pasado se hicieron una decena de estas conferencias, con temas como el cáncer, la astrofotografía, el cubo de Rubik y su relación con la mecánica cuántica, el aprendizaje cuántico de las máquinas o el espaciotiempo curvo. Tanto Zamora como el profesor reconocen que son unas conferencias "muy enriquecedoras para los estudiantes, sobre todo cuando suscitan preguntas e incluso polémica". De hecho los que asisten lo hacen "llenos de ilusión y ven que uno de los suyos, o ellos mismos, pueden adentrarse en el mundo de las aplicaciones de sus conocimientos".
El tema que plantea Víctor Zamora, el de los CCD es realmente interesante y actual "porque combina la física fundamental y la aplicada, ya que se utiliza en dispositivos que están presentes desde la ciencia más especializada hasta la tecnología más común". Y es que la tecnología CCD, o más bien su rival la CMOS es la que se encuentra en cada una de las cámaras digitales que utilizamos, incluidas la de los móviles.
Zamora explica que el descubrimiento de la CCD fue una serendipia más de la ciencia, y que los científicos que se llevaron el Nobel por su descubrimiento no iban buscando la fabricación de un sensor, sino de una memoria. Por eso, "un mensaje para todos los estudiantes, futuros científicos, es que siempre hay que revisar los datos que se van a usar, analizarlos con sentido común para ver si es algo nuevo o si lo que hemos descubierto es, por ejemplo, un problema de medida. Siempre hay que mirar los datos con incertidumbre para no lanzarse a hacer un trabajo de investigación sobre unas medidas de las que no está del todo seguro".
Los sensores CCD ofrecen una definición muy buena y una alta sensibilidad, pero son caros de fabricar, de ahí que hoy en día sólo se utilicen en "aplicaciones profesionales como mediciones de precisión en industria o en investigación científica".
Mucho más barata es la tecnología CMOS, la que se utiliza ahora en las cámaras digitales, que es además mucho más rápida y, por lo tanto, mejor para fotos en movimiento. Zamora explica que, de todas maneras, "la parte de cada pixel sensible a la luz es más reducida, así que su sensibilidad es menor, por lo que no se pueden utilizar para hacer ciencia, ya que no se sabe si está llegando realmente una señal muy débil".
Una ventaja que tienen los sensores CMOS es que no hay desbordamientos. Aclara Zamora que "si en el CCD se iluminan mucho los píxeles la carga se desborda y llena parte de la columna, lo que no ocurre con CMOS".
Misiones espaciales
Cuando se quieren utilizar los sensores CCD en el contexto de sondas de misiones espaciales, se encuentran con problemas añadidos, que Zamora explica de manera sencilla: "Si se ponen los satélites en órbita alrededor de la Tierra hay un contraste continuo de temperatura entre diferentes zonas de la nave, y eso deforma la estructura, que es lo peor para el desarrollo de la ciencia".
Una opción para evitar ese contraste térmico es poner el satélite en órbita alrededor del Sol, aunque "mejor es colocarlo en el segundo punto de Lagrange, a la sombra del Sol, tapado por la Tierra viajando a la misma velocidad radial, pero incluso ahí hay problemas porque sigue llegando radiación del Sol que impacta en los instrumentos de medida, como partículas alfa, neutrones y protones de alta energía".
Los CCD pueden sufrir un daño en cada pixel por esos impactos de partículas, con lo que aparecen defectos de puntos conocidos como trampas. De acuerdo con Zamora, "algunos electrones quedan atrapados en esas trampas, y cuando se liberan forman un paquete residual en un paquete pequeño de carga en los píxeles, lo que puede provocar que las imágenes se vean difuminadas y que necesiten ser corregidas para poder hacer medidas precisas, como por ejemplo medir la cantidad de materia oscura de una observación concreta".
La resolución de este problema de difuminación, conocido como CTI, se hace a partir de simulaciones con modelos. Según Zamora se comienza con una imagen sin ese problema del CTI, y luego se le añaden las trampas, obteniendo así la imagen con CTI. A partir de ahí "se resuelven unas ecuaciones del proceso de la carga, lo que puede ser complicado por el alto número de parámetros involucrados. En Física a veces se llega a ecuaciones muy precisas, pero no valen porque no se pueden manipular, lo que en este caso sólo permite hacer una primera aproximación".
Además, al llevar los datos al ordenador entra la confrontación entre el rigor físico y el tiempo de cómputo. Añade Zamora que "a veces hay códigos muy precisos que miden millones de píxeles con sus ecuaciones diferenciales, pero eso puede llevar tiempo, días incluso, lo que supone un problema porque los modelos se usan en la corrección, así que el tiempo de cómputo tiene que ser muy corto, ya que se toman fotos constantemente que tienen que ser corregidas al momento".
Se utiliza entonces lo que se conoce como una corrección iterativa, que según Zamora "puede ser una chapuza, pero es lo que se utiliza". Es así, porque en las sondas espaciales se considera que las imágenes con el problema CTI tampoco son un problema demasiado relevante, así que consideran que son más o menos reales y "sobre esas imágenes aplican el modelo y luego ven las discrepancias, se las quitan metiendo una función y repiten el proceso una y otra vez".
Un reto, al que invita Zamora a sus compañeros de Facultad, es a intentar encontrar un sistema que corrija esos errores, de manera rápida y mucho más precisa. Con ello, los asistentes a este seminario ya tienen deberes para casa, probablemente para los próximos años o décadas.
Y mientras tanto pueden seguir asistiendo a estas conferencias. La próxima será el 26 de septiembre, a las 13:30 horas, en el aula 3 de la Facultad de Físicas. La impartirá Alejandro Vivas y el tema elegido es "Cosmología cuántica: cuestiones físico-filosóficas".
