Los ingenieros de la Universidad de California, en Berkeley, han conseguido por primera vez desarrollar una tecnología que puede invertir la dirección natural de lo visible, así como de la luz infrarroja, lo que podría ayudar a formar la base para una mayor resolución de imágenes ópticas, nanocircuitos de alta potencia en ordenadores, y, para alegría de la ciencia-ficción y aficionados a la fantasía, dispositivos de encubrimiento que podría hacer los objetos invisibles al ojo humano.
Los avances para obtener un metamaterial implicaría la modificación en la forma en la que la luz se comporta normalmente. En el caso de invisibilidad, el material se adapta a la curvatura de las ondas de luz por completo alrededor del objeto. El aspecto común de estos metamateriales es la refracción negativa. En contraste, todos los materiales encontrados en la naturaleza tienen un resultado positivo en el índice de refracción, una medida de cuánto las ondas electromagnéticas son dobladas al pasar de un medio a otro.
Como nos comentaba Xiang Zhang, profesor de la UC Berkeley en el Centro de Ciencia e Ingeniería, y jefe de los equipos de investigación; “Lo que hemos hecho es tomar dos enfoques muy distintos al reto de crear la mayor parte de metamateriales que pueden exhibir refracción negativa en las frecuencias ópticas”.
Los seres humanos ven el mundo a través de la estrecha banda de radiación electromagnética conocida como la “luz visible”, con longitudes de onda de 400 nanómetros (luces violeta y púrpura), a 700 nanómetros (luz de color rojo profundo). Las longitudes de onda de luz infrarrojas son más largas, la medición es de unos 750 nanómetros de 1 milímetro, (un cabello humano es de unos 100.000 nanómetros de diámetro).
Para que un metamaterial pueda lograr refracción negativa, su matriz estructural debe ser menor que la longitud de onda electromagnética a utilizar. No es de sorprender, que haya habido más éxito en la manipulación de longitudes de onda en la banda de microondas más largas, ya que pueden medir de 1 milímetro hasta 30 centímetros de largo.
Jason Valentine, estudiante graduado de la UC Berkeley y co-autor principal del artículo publicado en la revista “Nature”, explicaba que cada par de conductores y no-conductores se aplican en capas con forma de circuito, o bucle de corriente, apilando juntas estas capas alternadas, crean una serie de circuitos que responden a la oposición junto a la del campo magnético de la luz. Este metamaterial es el primero a granel que puede describirse como el “magnetismo óptico”, por lo tanto los campos eléctricos y magnéticos en una onda de luz pueden retroceder en el material.
Este metamaterial se compone de plata en sus nanocables, compuestos en su interior por óxido de aluminio poroso. Aunque la estructura es aproximadamente 10 veces más delgada que una hoja de papel (por lo que un simple estornudo podría hacer que volará lejos) se considera una carga de metamaterial porque tiene más de 10 veces el tamaño de una longitud de onda de luz.
La geometría de la vertical en los nanocables, son paralelas y equidistantes entre sí, fueron diseñadas para responder sólo al campo eléctrico en las ondas de luz. El campo magnético, que oscila en un ángulo perpendicular al campo eléctrico en una onda de luz, es esencialmente ciega a la recta de los nanocables, una característica que reduce significativamente la pérdida de energía.
La innovación en los materiales de nanocables, comentaban los ingenieros, se considera una nueva forma de doblar hacia atrás sin luz técnicamente, para lograr un índice negativo de refracción. Para que exista un índice negativo de refracción de un metamaterial, sus valores de permisividad (la capacidad de transmitir un campo eléctrico) y permeabilidad (la forma en que responde a un campo magnético) deben ser negativo.
Los beneficios de tener un cierto índice negativo de refracción, como el logrado por este metamaterial, es que puede mejorar drásticamente el desempeño de antenas mediante la reducción de interferencias. Los índice negativos de los materiales también tienen la capacidad de revertir el efecto “Doppler” (el fenómeno empleado en pistolas de radar de la policía para controlar la velocidad del paso de vehículos) de modo que la frecuencia de las ondas disminuye en lugar de aumentar al enfoque.
Si bien los ingenieros dan la bienvenida a estos nuevos avances en metamateriales a longitudes de ondas ópticas, también advierten que todavía están muy lejos de la invisibilidad y otras aplicaciones que puedan captar la imaginación. Por ejemplo, a diferencia del manto que hizo famoso en las novelas de Harry Potter, los metamateriales aquí descritos están hechos de metal y son frágiles. El desarrollo en la forma de fabricar estos materiales a gran escala también será un reto.
Sin embargo, los ingenieros comentaban que el logro de la refracción negativa en una óptica con longitud de onda en la mayor parte de estos metamateriales es un hito importante en la búsqueda de dispositivos más avanzados.
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