METAMATERIAL

METAMATERIAL

HISTORIA

En el año 1968, el físico ruso V. Veselago publicó un estudio en el que especulaba con la existencia de un material con índice de refracción negativo. Según ese estudio, el comportamiento que tendría la radiación en ese material sería totalmente distinto al de los materiales con índice de refracción positivo, y sus posibles aplicaciones tendrían resultados asombrosos: teóricamente, este material permitiría crear "superlentes” que podrían tomar imágenes con detalles más finos que la longitud de onda utilizada (al contrario de lo que sucede con los materiales convencionales), haría posible el desarrollo de la fotolitografía nanométrica, o permitiría incrementar de forma sensible la capacidad de almacenamiento de datos.

Veselago especulaba con la posible existencia de left-handed materials (LHMs) y anticipó sus propiedades electromagnéticas únicas.

Pese a que Veselago predijo la existencia de LHMs, la verificación empírica no ocurrió hasta tres décadas más tarde por un grupo de la Universidad de California San Diego (UCSD) mediante split-ring resonators (SRRs) y finos hilos de cobre, que proporcionaban respectivamente permeabilidad y permitividad negativas.

Continuando con estos experimentos, varios investigadores han seguido estudiando las características y aplicaciones de los LHM basados en SRRs. No obstante, como las estructuras resonantes tienen altas pérdidas y pequeño ancho de banda, presentan dificultades a la hora de implementar aplicaciones de microondas. Por ello, los investigadores intentaron una aproximación de las líneas de transmisión hacia los LHMs.

Fig. 2. Modelos de líneas de transmisión: (a) RH (b) LH

Pero la existencia de ese tipo de materiales era sólo una hipótesis teórica, pues hasta ese momento todos los materiales conocidos presentaban un índice de refracción positivo.

En los últimos años se ha conseguido salvar ese inconveniente como si se tratase de un problema del lenguaje: ya que los materiales existentes no poseen las características deseadas, se puede ampliar la definición misma de "material", considerando no solamente aquellas sustancias homogéneas a las que estamos acostumbrados, sino que un material también puede estar formado por distintas partes diferentes que le den al conjunto unas propiedades particulares. A estos "nuevos materiales" se les llamo metamateriales.

DEFINICION CIENTIFICA

Se puede decir que los METAMATERIALES son materiales compuestos con capacidades extraordinarias para curvar las ondas electromagnéticas. Todos los materiales naturales tienen un índice de refracción positivo que provoca que cuando incide la luz sobre ellos, ésta se desvíe y podamos ver los objetos tal y como son. Los METAMATERIALES no son materiales naturales, sino un compuesto que, como resultado final, tiene propiedades no encontradas en sustancias que se forman en la naturaleza, como por ejemplo, el poseer una permisividad dieléctrica y una permeabilidad magnética negativa que provocan que el índice de refracción también sea negativo.

Es tal la importancia de estos nuevos Metamateriales, que según un artículo publicado por la revista SCIENCE, el pasado 2010, se encuentran dentro de los 10 grandes descubrimientos de la primera década del siglo XXI.

Veselago concibió en su imaginación que propiedades tendría para un nuevo material al que se le alteraran de forma simultanea su permitividad eléctrica y su permeabilidad electromagnética, obteniendo como resultado teórico una capacidad de alterar el ángulo de refracción de las ondas electromagnéticas.

En la práctica esto significa poder jugar con la luz y el primer paso para la búsqueda de la invisibilidad. El efecto sería algo como lo que se puede observar en la siguiente imágen:

Al poder jugar con la luz dirigiéndose a izquierdas por efecto de un metamaterial (por eso se conocen como materiales zurdos) y luego a derechas por efecto de un material con índice de refracción natural es posible dirigir la luz creando lentes o camuflajes perfectos.

MODELOS TEÓRICOS

- Medios con Permeabilidad Magnética Negativa, SRR.

J. B. Pendry fue el primero en teorizar una forma práctica de hacer un metamaterial zurdo (LHM). "Zurdo" en este contexto significa un material en el que la "regla de la mano derecha" no es obedecida, lo que permite que una onda electromagnética transmita energía (con una velocidad de grupo) en la dirección opuesta a su velocidad de fase. La idea inicial de J. B. Pendry, era que una distribución de cables metálicos alineados a lo largo de la dirección de propagación de la onda dan lugar a una permitividad efectiva negativa (ε <0). Sin embargo, existen materiales naturales (como Ferro eléctricos) con permitividad negativa: el reto era construir un material que tuviera al mismo tiempo una permeabilidad negativa (μ <0).

En 1999, Pendry demostró que un anillo (en «C») con el eje a lo largo de la dirección de propagación podría proporcionar esa permeabilidad negativa. De esa manera, una distribución periódica de esos cables y anillos podía dar lugar a un índice de refracción efectivo negativo.

La analogía es la siguiente: Los materiales naturales están hechos de átomos, que se polarizan en presencia de campos electromagnéticos. Los dipolos así formados pueden modificar la velocidad de la luz por un factor "n" (el índice de refracción). El anillo de alambre y los cables desempeñan el papel de dipolos atómicos: el cable actúa como un átomo ferro eléctrico, mientras que el anillo actúa como un inductor "L" y la sección abierta como un condensador "C". El anillo en su conjunto, por lo tanto, actúa como un circuito "LC". Cuando el campo electromagnético pasa por el anillo, se genera una corriente inducida, que da lugar a un campo perpendicular al incidente. A la frecuencia de resonancia del anillo, el resultado equivale a una permeabilidad negativa, y así el índice de refracción es también negativo.

En un montaje periódico de SRRs, el carácter resonante de estos provocará que se inhiba la propagación de la señal en un determinado rango de frecuencias. Este efecto es resultado de que la estructura presenta valores negativos de permeabilidad magnética efectiva, al menos en una estrecha banda de frecuencias.

- Metamateriales Electromagnéticos

Los metamateriales son de particular importancia

...