Los metamateriales ¿La invisibilidad podría ser una realidad?

Muchos recordarán que en sus múltiples aventuras el famosísimo Harry Potter logró salirse con la suya gracias a ese misterioso objeto que le fue regalado durante su primer año en Hogwarts, es decir, su capa de invisibilidad. Hasta ahora, esta capacidad de no poder ser visto por los demás ha sido parte únicamente del mundo de la fantasía y de la ciencia ficción; sin embargo, recientes estudios científicos han hecho posible que este fenómeno se acerque un poco más a nuestra realidad ¿Cómo? La respuesta está en los materiales.

Imagen tomada de
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Para poder entender cómo se puede lograr la invisibilidad, hay que explicar primero unas cosas. Cuando un rayo de luz cruza la interfase entre dos materiales distintos, la dirección del rayo se modifica; este cambio se conoce como refracción de la luz. Cada material se caracteriza por su índice de refracción, y de este último depende la dirección y la velocidad con la que la luz se propaga en dicho medio. Todos los materiales conocidos en la naturaleza tienen una refracción positiva; a pesar de eso, a Víctor Veselago1 se le ocurrió plantear, sólo por curiosidad científica, las consecuencias de tener materiales con índice de refracción negativo ya que, de existir tales materiales, presentarían características notables que modificarían todos los fenómenos electromagnéticos observados hasta la fecha. Para ilustrar las consecuencias de la refracción negativa, en la figura1 mostramos un prisma en donde se señala la dirección de los rayos para una refracción positiva y negativa.

¿Qué consecuencias tendría este fenómeno a nuestros ojos? En la figura 2 se muestra un lápiz sumergido en un líquido normal y uno sumergido en un medio con índice de refracción negativo.

No fue hasta el año 2000 que el planteamiento hecho por Veselago adquirió relevancia, cuando el grupo de Pendry2 fabricó los primeros materiales con estas características, y de ese año a la fecha cientos de investigaciones han aportado nueva información. La pregunta que surge es, ¿cómo construir un material con índice de refracción negativa? Partamos de que el índice de refracción de los materiales se descompone en dos elementos: permitividad eléctrica y permeabilidad magnética. El primero es la respuesta que los materiales tienen ante la presencia de campos eléctricos, mientras que el segundo, la respuesta que tienen los materiales ante la presencia de los campos magnéticos. Como la luz está compuesta de ambos campos —magnético y eléctrico—, entonces la forma en la que se propaga la luz en un medio depende de su índice de refracción. La permitividad eléctrica es negativa en el rango visible en la mayoría de los metales; sin embargo, la permeabilidad magnética es negativa en rangos mucho menores de frecuencia de la luz visible. Esta es la razón por la que de manera natural no existen materiales que tengan a la vez las dos características. Los primeros diseños hechos por Pendry obedecen a una combinación de materiales y estructura que permitan para un mismo rango de frecuencias contar con permitividad eléctrica y permeabilidad magnética negativa, de donde se desprende que el índice de refracción será negativo. La figura 3 muestra un diseño de ellos. A estos materiales se les denomina materiales izquierdos o metamateriales, que significa más allá de los materiales.

Regresamos ahora a la pregunta que nos ocupa, ¿cómo nos hacemos invisibles? Si construimos un material que desvíe la luz en dirección contraria a la natural, podríamos lograr que la luz, cuyo reflejo es lo que nos permite ver las cosas, rodeara a un objeto, volviéndolo invisible. En la figura 4 la luz se desvía hacia afuera y rodea al objeto cubierto con un metamaterial y así podemos observar lo que está detrás de éste sin percatarnos de la esfera, es decir, se ha hecho invisible a nuestros ojos.

La invisibilidad es una de las muchas aplicaciones que tienen los metamateriales; sin embargo, existen otras tantas aplicaciones de éstos, como la fabricación de superlentes, los cuales nos permitirían mejorar las imágenes que se observan a través de telescopios.

En conclusión, podemos afirmar que la investigación y el desarrollo tecnológico de los materiales nos ha llevado a construir dispositivos que sólo Harry Potter y otros personajes de la fantasía  de la ciencia ficción habían podido disfrutar.

Figura 1. Muestra la refracción positiva y la refracción negativa al atravesar una interfase

Figura 1. Muestra la refracción positiva y la refracción negativa al atravesar una interfase

Figura 3. a) Diagrama de un resonador de anillo ranurado (SRR). b) Cada celda unitaria tiene seis SRRs y dos tiras de alambres colocados sobre tarjetas delgadas de fibra de vidrio. El ángulo entre las tarjetas de fibra de vidrio es de 90° c) Estructura completa de un metamaterial que se compone de los elementos descritos en a) y b)

Figura 3. a) Diagrama de un resonador de anillo ranurado (SRR). b) Cada celda unitaria tiene seis SRRs y dos tiras de alambres colocados sobre tarjetas delgadas de fibra de vidrio. El ángulo entre las tarjetas de fibra de vidrio es de 90° c) Estructura completa de un metamaterial que se compone de los elementos descritos en a) y b)

Figura 4. Si la luz se desvía hacia fuera no será posible observar la esfera del centro, por lo que ésta resultará invisible a nuestros ojos

Figura 4. Si la luz se desvía hacia fuera no será posible observar la esfera del centro, por lo que ésta resultará invisible a nuestros ojos

Figura 2. Al lado izquierdo se muestra la refracción positiva en un líquido natural, y el vaso derecho muestra la refracción negativa que produciría un metamaterial. (Crédito G. Dolling et al, 2006 Optical Society of America)

Figura 2. Al lado izquierdo se muestra la refracción positiva en un líquido natural, y el vaso derecho muestra la refracción negativa que produciría un metamaterial. (Crédito G. Dolling et al, 2006 Optical Society of America)

Notas

1 Veselago, V. G., “Electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ”, Sov. Phys.Usp., Vol.10, 509, 1968.

2 Pendry, J. B. and D. R. Smith, Physics Today Vol. 37, June 2004.

3 Pendry, J.B., “Negative refraction makes a perfect lens”, Phys. Rev.Lett., 85, 3966, 2000.

* marthap@fcfm.buap.mx