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Los metamateriales son materiales
compuestos con capacidades extraordinarias para curvar las ondas
electromagnéticas. Y constituyen la vía que mejores resultados está
dando en el camino hacia dispositivos capaces de hacer invisible a un
objeto o a una persona.
Las aplicaciones para un metamaterial conllevan alterar el
comportamiento normal de la luz. En el caso de las capas o escudos de
invisibilidad el material necesitaría curvar completamente las ondas de
luz alrededor del objeto que queremos hacer invisible, como el agua de
un río que fluye alrededor de una roca.
En otra clase de aplicaciones, también se esperan grandes avances. Para
que los microscopios ópticos puedan discernir virus individuales vivos o
moléculas de ADN, la resolución del microscopio debe ser más pequeña que
la longitud de onda de la luz.
El hilo común entre tales metamateriales es la refracción negativa. Por
contra, todos los materiales encontrados en la naturaleza tienen un
índice de refracción positivo. El índice de refracción es una medida de
cuánto se tuercen las ondas electromagnéticas al pasar de un medio a
otro.
 En
una ilustración clásica de cómo se comporta la refracción, la parte
sumergida de una varilla insertada en el agua parecerá como si estuviera
torcida del modo que todos conocemos. Si el agua presentara refracción
negativa, la porción sumergida de la varilla parecería en cambio como
torcida hacia afuera, o sobresaliendo de la superficie del agua. O, para
dar otro ejemplo, un pez que nadase bajo el agua parecería en cambio
estar nadando en el aire por encima de la superficie del agua.
Algunos equipos de investigación ya han desarrollado metamateriales que
funcionan a frecuencias ópticas, pero esos materiales en 2-D se han
limitado a una sola monocapa artificial de átomos cuyas propiedades para
doblar la luz no pueden definirse. Metamateriales de mayor espesor, en
3-D, con refracción negativa, sólo se han conseguido hasta ahora, que se
sepa, en las longitudes de onda, más largas, de las microondas.
De entre los logros obtenidos hasta la fecha, dos de los más recientes y
prometedores son los alcanzados por dos grupos de científicos de la
Universidad de California en Berkeley, que han diseñado por primera vez
materiales en 3-D que pueden torcer del modo adecuado la dirección
natural de la luz visible y de la del infrarrojo cercano, un desarrollo
que podría ayudar a sentar las bases para la obtención de imágenes
ópticas de superior resolución, nanocircuitos para las computadoras de
alta potencia, y, para el deleite de los amantes de la ciencia-ficción y
la fantasía, dispositivos como capas de invisibilidad que podrían hacer
invisibles los objetos para el ojo humano.
El progreso en el desarrollo de los metamateriales, materiales
compuestos con capacidades extraordinarias para curvar las ondas
electromagnéticas, sigue dando sorpresas.
Lo que han hecho los equipos de investigación responsables del
desarrollo de los dos metamateriales más nuevos es tomar dos
aproximaciones muy diferentes para el desafío de crear metamateriales a
granel que puedan exhibir la refracción negativa en las frecuencias
ópticas. Ambos constituyen avances cruciales hacia el desarrollo
práctico de las aplicaciones para los metamateriales.
Los humanos vemos el mundo a través de una banda estrecha de radiación
electromagnética conocida como la luz visible, con longitudes de onda
que van desde los 400 nanómetros (luz violeta y morada), a los 700
nanómetros (luz de color rojo oscuro). Las longitudes de onda de la luz
infrarroja son más largas, midiendo desde aproximadamente 750 nanómetros
a 1 milímetro.
Para lograr la refracción negativa, la configuración estructural de un
metamaterial debe ser más pequeña que la longitud de onda
electromagnética utilizada. No es sorprendente entonces que los primeros
resultados no se hayan conseguido con la luz visible, sino con las
microondas, cuya longitud de onda, que puede medir desde 1 milímetro a
30 centímetros de largo, es ostensiblemente mayor que la de la luz
visible.
En una de las dos investigaciones recientes, dirigidas por Xiang Zhang,
profesor del Centro de Ciencia e Ingeniería Nanométricas de la
Universidad de California en Berkeley, los científicos apilaron capas
alternas de plata y de fluoruro de magnesio no conductor y realizaron en
las capas nanométricas una serie de cortes, siguiendo un patrón con
forma parecida al de una red de pesca, con el propósito de crear un
metamaterial óptico en bruto. En longitudes de onda tan cortas como 1500
nanómetros, es decir dentro del sector infrarrojo más cercano a la luz
visible en el espectro electromagnético, los investigadores midieron un
índice negativo de refracción.
Cada par de capas conductora y no conductora forman un circuito. Al
apilar las capas alternas se logra crear una serie de circuitos que
responden de modo conjunto y en oposición al campo magnético de la luz
entrante.
Este material, y también el otro, logran la refracción negativa
minimizando la cantidad de energía que es absorbida o "perdida" cuando
la luz pasa por ellos. En el caso del material descrito, el que tiene
una estructura en forma de "red de pesca", los nanocircuitos fuertemente
entrelazados permiten que la luz atraviese el material y gaste menos
energía al moverse por las capas del metal.
Los materiales naturales no responden al campo magnético de la luz, pero
este nuevo metamaterial sí lo hace. Es el primer material que puede
fabricarse a granel y del que se puede afirmar que tiene magnetismo
óptico. Gracias a sus peculiares características, los campos eléctricos
y los magnéticos en la onda de luz se mueven hacia atrás en el material.
El metamaterial desarrollado por el otro grupo de trabajo se vale de un
principio diferente para lograr la meta de doblar la luz hacia atrás.
Está compuesto por nanocables de plata formados dentro del óxido de
aluminio poroso. Y su tamaño supera en más de 10 veces la longitud de
onda de la luz visible.
Los creadores de este material observaron la refracción negativa de las
longitudes de onda de la luz roja en longitudes tan cortas como 660
nanómetros. Es la primera demostración de un medio voluminoso que tuerce
de ese modo la luz visible.
La geometría de los nanocables verticales, que se colocaron
equidistantes y paralelos entre sí, fue diseñada para responder sólo al
campo eléctrico en las ondas de luz. El campo magnético presente, que
oscila en un ángulo perpendicular al campo eléctrico en una onda de luz,
es esencialmente ciego a los nanocables verticales, una característica
que reduce significativamente la pérdida de energía.
La innovación de este material de nanocables es que se vale de una nueva
forma de doblar la luz hacia atrás sin lograr, técnicamente hablando, un
índice de refracción negativo.
Los beneficios de tener un verdadero índice de refracción negativo, como
el logrado por el metamaterial en forma de red de pesca, es que puede
mejorar enormemente el funcionamiento de las antenas, al reducir las
interferencias. Los materiales con índices de refracción negativo
también pueden invertir el efecto Doppler, el fenómeno utilizado en los
radares de la policía de tráfico que sirven para supervisar la velocidad
de los vehículos que pasan. Esta inversión del efecto Doppler significa
que la frecuencia de las ondas disminuye en lugar de aumentar al
acercarse el vehículo.
Pero en la mayoría de las aplicaciones sugeridas para los
metamateriales, como por ejemplo la obtención de imágenes ópticas
nanométricas o la fabricación de dispositivos de invisibilidad, tanto el
metamaterial basado en nanocables como el parecido estructuralmente a
una red de pesca, pueden prestar un buen servicio. |
