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Nov 06, 2023

En una longitud de onda diferente, Nader Engheta lidera una comunidad en la luz

Ciencia y tecnología Nader Engheta se quedó perplejo cuando recibió una llamada del

Tecnología científica

Nader Engheta se quedó perplejo cuando recibió una llamada del departamento de psicología sobre un pez.

A principios de la década de 1990, Engheta, un nuevo profesor asociado de ingeniería eléctrica en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn, era un experto respetado en tecnologías de ondas de radio. Pero en los últimos años, su trabajo se había expandido hacia temas a la vez más excéntricos y fundamentales.

El interés de Engheta por las ondas electromagnéticas no se limitaba a las frecuencias de radio, como podría atestiguar una serie de publicaciones recientes. Algunos estudios investigaron una variedad de interacciones de ondas con una clase de materia conocida como "medios quirales", materiales con configuraciones moleculares que exhiben cualidades de "orientación hacia la izquierda o hacia la derecha". Otros establecieron aplicaciones electromagnéticas prácticas para una desconcertante rama de las matemáticas llamada "cálculo fraccionario", un área con las mismas raíces newtonianas que el cálculo propiamente dicho, pero con una premisa tan sorprendente como la sugerencia de que una familia podría tener literalmente dos hijos y medio. .

Las ondas electromagnéticas están organizadas en un espectro de longitudes de onda. En el extremo más corto del espectro se encuentran las ondas de alta energía, como los rayos X. En el medio, está el rango limitado que vemos como luz visible. Y en el extremo más largo están los regímenes de energía más baja de radio y calor.

Los investigadores tienden a centrarse en un tipo de onda o una sección del espectro, explorando peculiaridades y funciones únicas para cada uno. Pero todas las ondas, electromagnéticas o no, comparten las mismas características: consisten en un patrón repetitivo con cierta altura (amplitud), tasa de vibración (frecuencia) y distancia entre picos (longitud de onda). Estas cualidades pueden definir un rayo láser, una transmisión de voz, un lago barrido por el viento o una cuerda de violín.

Siempre he sabido que el conocimiento no tiene fronteras. Los campos de investigación tienen límites, pero son artificiales. Puedes trabajar en diferentes campos. Nader Engheta, profesor de Ingeniería de Penn y ganador de la Medalla Franklin 2023

Engheta nunca ha sido el tipo de erudito que limita el alcance de su curiosidad a un solo campo de investigación. Está interesado en las ondas, y su fascinación radica igualmente en la física que determina el comportamiento de las ondas y las tecnologías experimentales que amplían los límites de esas leyes.

Entonces, cuando Edward Pugh, un psicólogo matemático que estudia la fisiología de la percepción visual, explicó que el pez luna verde podría poseer una ventaja evolutiva para ver bajo el agua, Engheta escuchó.

Pronto, los dos profesores de Penn estaban analizando imágenes de microscopio de retinas de peces luna verdes.

Los ojos de este pez contienen fotorreceptores estructurados para percibir luz polarizada, u ondas de luz que oscilan en una dirección uniforme. Los ojos humanos no contienen tales estructuras, incapaces de diferenciar entre las ondas de luz que vibran en múltiples planos, como lo hace la luz solar ordinaria, y la luz que viaja ordenadamente dentro de un solo plano, como lo haría la luz del sol después de rebotar en una superficie firme. Para nosotros, el entorno submarino salobre del pez es demasiado turbio y borroso para navegar a simple vista. Pero algunas especies marinas pueden usar luz polarizada que no podemos ver para alejarse del peligro y alimentarse.

Pugh, un científico de la visión, tenía preguntas sobre la óptica. ¿Estos fotorreceptores funcionan como fibras ópticas que preservan la polarización? Engheta, experto en antenas de radio, se sumergió en la biología celular en busca de respuestas.

Tres décadas después, en 2023, el Instituto Franklin otorgó a Engheta la Medalla Benjamin Franklin, uno de los reconocimientos más prestigiosos del mundo por sus logros en ciencia y tecnología. Laureado en ingeniería eléctrica, Engheta recibió el honor "[p]or innovaciones transformadoras en la ingeniería de materiales novedosos que interactúan con ondas electromagnéticas de formas sin precedentes".

Esta breve cita indica una avalancha de contribuciones científicas incomparables que estaban en el horizonte para Engheta en el momento en que estudiaba el pez luna. En los años siguientes, él y Pugh establecieron un nuevo campo al que llamaron "imágenes de polarización bioinspiradas", diseñando y construyendo una cámara que podía ver como un pez, una cámara tan afinada que podía capturar no solo vistas nítidas bajo el agua, sino también imágenes detalladas. huellas dactilares en la superficie de los objetos de vidrio. El trabajo que Engheta continuaría haciendo a medida que se acercaba el siglo XXI tomaría una dirección muy diferente, demostrando ser fundamental para varias nuevas e importantes vías de investigación.

Más que un avance sorprendente en la tecnología, el episodio del pez luna ilustra los componentes clave del éxito único de Engheta: apertura a la inspiración, virtuosismo en la habilidad técnica, una habilidad especial para la colaboración y desprecio por los límites disciplinarios. También marca un paso decisivo en su camino hacia la luz.

La radio de transistores pertenecía a su hermano mayor, quien la estaba construyendo a partir de partes.

"Cuando era niño y crecía en Irán, siempre tuve curiosidad por saber cómo funcionaban las cosas", dice Engheta. "Nunca había visto nada como esta radio y necesitaba saber cómo podría funcionar sin estar conectado a nada".

La explicación de su hermano de cómo la música portátil resultó de ondas electromagnéticas y mecánicas transformadas en señales electrónicas lo llevó unos años más tarde a la Universidad de Teherán, donde obtuvo una licenciatura en ingeniería eléctrica con los más altos honores, y luego a los Estados Unidos para su posgrado. trabajar.

Las contribuciones de Nader a su campo abarcan una amplitud y un impacto que a menudo no se ven en un solo individuo. Vijay Kumar, decano de Penn Engineering de la familia Nemirovsky

Puede parecer que esta historia sobre el origen de una radio es solo eso: una historia sobre el origen de una radio.

Pero la radio es ruido de fondo. Este momento muestra una personalidad abierta al mundo, con un meticuloso sentido de propósito cuando se trata de aprender más.

Los impactos que definieron la carrera de Engheta en la óptica no ocurren a pesar de su pedigrí en la radio, sino en relación con ella, y su salto profesional de un lado al otro del espectro electromagnético estuvo totalmente en consonancia con el espíritu de su enfoque científico.

Artur Davoyan, profesor asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial en UCLA que pasó tres años como becario postdoctoral en el laboratorio de Engheta en Penn, describe la relación de Engheta con la experiencia en la materia como un medio, no como un fin.

"Nader es una autoridad en una cantidad asombrosa de temas", dice Davoyan. "Es extremadamente ágil cuando se trata de dar una perspectiva sobre la ciencia, la persona a la que acudir si quieres una nueva mirada a cualquier problema. Esto se debe a que su motivación nunca es simplemente dominar un campo. Su objetivo final es satisfacer la creatividad única nació, y su mayor contribución a la ciencia ha sido mostrar a las personas que lo rodean cómo operar desde este mismo lugar de curiosidad y alegría. Floreció cuando comenzó a teorizar y diseñar materiales para adaptar la luz porque era el patio de recreo perfecto para hacer ejercicio. esta forma de pensar en toda su extensión".

"Siempre supe que el conocimiento no tiene límites", dice Engheta. "Los campos de investigación tienen límites, pero son artificiales. Puedes trabajar en diferentes campos".

Hace una pausa y reflexiona durante unos segundos. Sonrisas.

"De hecho, la innovación a menudo ocurre en los puntos fronterizos entre campos. Estos campos pueden tener lenguajes y prioridades dispares, pero también tienen puntos en común interesantes que puede encontrar si sabe cómo buscar".

Saber mirar es una cosa. Comprender dos formas distintas de ciencia y comunicarse entre ellas es otra. Engheta es quizás más célebre por su trabajo seminal que vincula la electrónica y la óptica, dos campos tan extraños en su enfoque que bien podrían existir en diferentes planetas.

A principios de la década de 2000, cuando la nanotecnología comenzaba a avanzar, los científicos pudieron controlar y fabricar patrones a nivel atómico, y los investigadores de la luz estaban explorando formas de manipular la luz dando forma a estructuras a nanoescala. Recién salido de su incursión sospechosa en la óptica de los sistemas visuales, Engheta se dio cuenta de que podía aprovechar la nanotecnología para aplicar su experiencia en conceptos de radiofrecuencia a la luz visible.

En un estudio que ayudaría a desarrollar y expandir un área floreciente de investigación llamada "metamateriales", Engheta introdujo una pequeña partícula metálica con fuertes propiedades de dispersión de luz en un material a nanoescala.

Él lo llamó una antena.

Los ingenieros describen invariablemente el lenguaje cruzado que Engheta desarrolló para comunicarse entre la radio y la ciencia de la luz en términos estéticos y reverenciales: "elegante", "hermoso", "impresionante". Su análisis de esta nanopartícula metálica la imaginó como un análogo de un circuito clásico, estableciendo paralelismos entre sus propiedades de dispersión de luz y las funciones de resistencia, inductor y capacitor que son el ABC de la electrónica.

Ahmad Hoorfar, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Villanova y patrocinador principal de Engheta para la Medalla Franklin, destaca el impacto de este trabajo.

"Que se puedan hacer elementos de circuitos a frecuencias ópticas", explica, "significa que todo el diseño que la gente ha hecho durante los últimos 50 a 70 años en electrónica estuvo repentinamente disponible para la óptica. Este trabajo construyó puentes que proporcionaron una gran cantidad de recursos Es una idea brillante que simplificó y mejoró la ciencia óptica".

Mark Brongersma, profesor del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Stanford y colaborador frecuente de Engheta, afirma la importancia del enfoque interdisciplinario de Engheta.

"Nader sabía cómo funcionan las antenas en el régimen de radiofrecuencia", dice Brongersma, "y pudo proporcionar una perspectiva diferente e increíblemente impresionante de cómo diseñar estas estructuras metálicas para manipular la luz".

Esta perspectiva diferente no se limitó a la inclusión de una sola partícula minúscula. Engheta imaginó agregar más: parejas o conjuntos completos de estas partículas. Hoy en día, se denominan "metasuperficies", estructuras bidimensionales modificadas y mezcladas artificialmente que se dispersan y transforman la forma en que se propaga la luz.

La rica historia de Penn de ganadores de la Medalla Franklin incluye una línea distinguida de investigadores que han realizado contribuciones innovadoras en sus respectivos campos. Entre los galardonados se encuentran Katalin Karikó y Drew Weissman (2022), Doug Wallace (2017), Charles Kane y Eugene Mele (2015), William Labov (2013), Peter Nowell (2010), Ruzena Bajcsy (2009), Aravind Joshi (2005). ), Robert Newnham (2004), Robin Hochstrasser (2003), Ralph Brinster y Shiriki Kumanyika (1997), Alan MacDiarmid (1993), Eli Burstein (1979), Mildred Cohn (1975), Britton Chance (1966) y Ezra Krendel (1960).

Las contribuciones de la cohorte de investigadores e innovadores van desde la tecnología de ARNm hasta la investigación de topología, sociolingüística, genética del cáncer, robótica y más. Estos laureados excepcionales ejemplifican la dedicación perdurable de Penn a la investigación innovadora y la excelencia científica.

"Con esto", agrega Brongersma, "podemos dirigir la luz. Podemos enfocarla. La ciencia de la manipulación de la luz impacta en muchas tecnologías importantes que nos rodean, desde recolectores de energía solar hasta sensores, pantallas visuales para televisión y dispositivos de realidad aumentada. Todo esto estos están limitados por nuestra capacidad de adaptar la luz a nanoescala. Los metamateriales están mejorando esa capacidad, en gran parte gracias a Nader".

Reconocido hoy como el "padre" de los metamateriales, Engheta define este complejo campo de estudio con su lucidez característica.

"Todos los materiales que componen la tabla periódica interactúan con la luz de manera convencional", dice. "La idea de los metamateriales es hacer materiales que hagan cosas no convencionales con la luz".

En términos simples, los metamateriales alteran las propiedades electromagnéticas de un material a través de la inclusión de forma precisa de otro. Los tres elementos importan: las propiedades del material principal, las propiedades de la inclusión y, sobre todo, la geometría introducida.

"Lo que es sorprendente", dice Engheta, "es que las propiedades electromagnéticas del metamaterial resultante pueden ser completamente diferentes de las que lo componen".

Más grandes que la suma de sus partes, los metamateriales ofrecen una clara alegoría del enfoque de ingeniería de Engheta: distintos puntos de vista, cuidadosamente elaborados y combinados, producen resultados más valiosos de lo que cada uno podría haber imaginado individualmente.

Es una forma rara de creatividad en la ciencia centrarse más en las preguntas que en las respuestas esperadas.

Engheta es conocido por hacer dos preguntas en particular: "¿Y si?" ¿y por qué no?"

Estas preguntas expresan una filosofía de la ciencia tan comprometida con la educación como con la investigación.

"Las contribuciones de Nader a su campo abarcan una amplitud y un impacto que a menudo no se ve en un solo individuo", dice Vijay Kumar, decano de la familia Nemirovsky de Penn Engineering. "También es uno de los maestros más amables y atractivos y mentores afectuosos que tenemos en nuestra facultad".

La generación de ingenieros que se formó con él antes de irse a dirigir sus propios laboratorios lo afirma, destacando la influencia de su pensamiento innovador y de apoyo.

"Elegí Penn Engineering por el enfoque científico de Nader", dice Davoyan. "Él analiza los problemas desde ángulos inesperados. Encuentra consultas que nadie está haciendo. Yo también estaba trabajando en óptica y metamateriales, y él era un gran nombre en el campo. Pero, si hubiera trabajado en un área completamente diferente, todavía habría venido a aprender de él".

Mario Mencagli, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Carolina del Norte en Charlotte y otro de los antiguos becarios postdoctorales de Engheta en Penn, subraya su singular compromiso con la comprensión.

"Le gusta profundizar", dice Mencagli. "Estábamos construyendo nuevas tecnologías y mejorando sus capacidades, pero eso nunca fue suficiente. También teníamos que entender la física detrás de lo que estaba sucediendo. Aprendí mucho de esto. A veces, casi intentábamos perdernos, para simplificar un problema. hasta tal punto pudimos discernir las leyes físicas detrás de esto. Una vez que hayas alcanzado ese nivel de profundidad, realmente puedes construir".

Más que un peculiar compromiso con el rigor, la orientación de Engheta se hace eco de la de su héroe, Nikola Tesla. Como físico teórico, aborda este trabajo como tecnólogo, rechazando las distinciones estándar entre científico e ingeniero: el primero, un estudiante de las leyes fundamentales de la naturaleza, el segundo, un constructor de tecnologías optimizadas para las limitaciones de la naturaleza. Engheta ha dejado su huella con audaces intervenciones teóricas que empujan los límites de lo que es científicamente posible y herramientas que dan vida a estas nuevas interpretaciones del mundo.

Humeyra Caglayan, profesora de óptica experimental y fotónica en la Universidad de Tampere en Finlandia, recuerda su investigación postdoctoral con Engheta exactamente en estos términos.

"Como físicos, siempre buscamos entender cómo funcionan las cosas", dice Caglayan. "Pero a veces, es suficiente para nosotros dejarlo así. Sin embargo, Nader siempre quiere enmarcar este esfuerzo como algo que conduce a una tecnología que se puede usar durante nuestras vidas. Eso es muy singular".

Andrea Alù, distinguido profesor de la Universidad de la Ciudad de Nueva York, Profesor Einstein de Física en el Graduate Center, CUNY y director fundador del Advanced Science Research Center, CUNY, ha coeditado constantemente con Engheta desde sus días de licenciatura como estudiante visitante. en Pensilvania

"Trabajamos bien juntos porque ambos disfrutamos de la curiosidad en sí misma", dice Alù. "Los resultados no son suficientes. Hasta que realmente captamos algo, no estamos satisfechos. Nader es un discípulo de extrema claridad, y aprendí esto de él. Cuando las personas leen los artículos de Nader, se emocionan y realmente absorben cosas de ellos. ."

Alan Willner, distinguido profesor de ingeniería eléctrica e informática en la USC y experto en ciencias ópticas, está de acuerdo.

"Cada vez que hablas con Nader, tu cerebro se estremece con la cantidad de nuevas ideas que vuelan alrededor. Y su brillantez es inseparable de su empatía. Él reduce las cosas a los problemas más fundamentales. Con calidez, amabilidad y ánimo, puede explicar magistralmente cualquier cosa para cualquiera, y hay capas en su explicación. Si sabes un poco, terminas aprendiendo mucho. Si sabes mucho, aún terminas aprendiendo mucho".

Un acto de equilibrio entre la innovación —"'Cuanto más loco, mejor', decía Mencagli riendo— y una conexión genuina, la carrera de Engheta, como su conversación, es incapaz de seguir caminos predecibles.

"Sus 'por cierto' son famosos", dice Brongersma. "Le harás una pregunta y él comenzará a responder, pero antes de que termine la respuesta, dirá: 'por cierto', y entrará en juego otra dimensión. En unos cinco minutos, tú" Volveré a la conversación original, pero podría haber uno o más 'por cierto' antes de que todo se aborde y resuelva claramente".

Esta es la gramática de una persona interesada en llegar al corazón de las cosas. Y en la ciencia de Engheta, corazón tiene un doble significado.

Sus aprendices y colegas hablan con igual pasión sobre sus gestos personales de cuidado y su aliento profesional para pensar libremente sobre la ciencia que los inspira. Los regalos para recién nacidos se mezclan con dilemas matemáticos, y las consultas sobre amigos y familiares fluyen libremente junto con los avances en el diseño de experimentos.

La investigación de Engheta continúa inspirando y empujando los límites. Actualmente está desarrollando metamateriales para que sirvan como hardware para computadoras analógicas, que ya muestran potencial para algún día romper los techos de velocidad y eficiencia energética de la revolución digital. Su curiosidad ha resultado en dispositivos que aprovechan la física que pocos creían posibles. Las combinaciones de metal y semiconductor cancelan la dispersión de la luz del otro y funcionan juntas como una especie de capa de invisibilidad. Un campo que fundó conocido como "metamateriales épsilon-near-zero" proporciona herramientas para estirar ondas de luz entre dos puntos distantes de tal manera que se comporten como uno solo, logrando una simultaneidad asombrosa.

A pesar de que su trabajo sigue siendo honrado en los niveles más altos, Engheta mantiene su reputación de curiosidad y gratitud hacia todos los que lo rodean, tan abierto hoy a consultas fuera del campo izquierdo como lo estaba el día que el pez luna cruzó su escritorio.

"Todo el mundo tiene algo que aportar", dice, "toda pregunta es bienvenida".

Andrea Alù es profesora distinguida de la Universidad de la Ciudad de Nueva York, profesora Einstein de Física en el Graduate Center, CUNY, y directora fundadora del Advanced Science Research Center, CUNY. Fue estudiante de pregrado visitante en Penn en 2002. Su Ph.D. disertación en la Universidad de Roma Tre, Italia, fue codirigida por Engheta, y fue becario postdoctoral en el grupo de Engheta en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas de 2007 a 2008.

Mark Brongersma es profesor Stephen Harris en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, así como de Física Aplicada, en la Universidad de Stanford.

Humeyra Caglayan es profesora de óptica experimental y fotónica en la Universidad de Tampere. Fue becaria postdoctoral en Penn Engineering en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas de 2011 a 2013.

Artur Davoyan es profesor asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial en UCLA. Fue becario postdoctoral en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas de 2012 a 2015.

Nader Engheta es Profesor H. Nedwill Ramsey de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas en Penn Engineering, con asignaciones secundarias en los departamentos de Bioingeniería, Ciencia e Ingeniería de Materiales, y Física y Astronomía en la Escuela de Artes y Ciencias.

Ahmad Hoorfar es profesor de ingeniería eléctrica e informática y fundador y director del Laboratorio de Investigación de Antenas de la Universidad de Villanova.

Vijay Kumar es el decano de la familia Nemirovsky de Penn Engineering y profesor en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecánica Aplicada con nombramientos secundarios en los Departamentos de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas y Ciencias de la Información y la Computación.

Mario Mencagli es profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Carolina del Norte en Charlotte. Fue becario postdoctoral en Penn Engineering en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas de 2017 a 2019.

Alan Willner es un distinguido profesor de ingeniería eléctrica e informática y de la cátedra Andrew & Erna Viterbi de la USC.