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Acercándonos a las capas de invisibilidad
En un paso importante hacia el desarrollo de capas prácticas de invisibilidad, los investigadores han diseñado dos nuevos materiales que doblan la luz de formas completamente nuevas. Estos materiales son los primeros que trabajan en la banda óptica del espectro, que engloba la luz visible e infrarroja; Los materiales de camuflaje existentes solo funcionan con microondas. Tales capas, representadas durante mucho tiempo en la ciencia ficción, permitirían que los objetos, desde aviones de guerra hasta personas, se escondieran a plena vista.
Red invisible: Un nuevo material que puede doblar la luz del infrarrojo cercano de una manera única tiene una estructura de red. Estas imágenes de un prisma hecho del material se tomaron con un microscopio electrónico de barrido. Los agujeros en la red permiten que el material interactúe con el componente magnético de la luz, lo que permite una curvatura inusual y demuestra su promesa para su uso en futuras capas de invisibilidad. En el recuadro se ven las capas de metal y material aislante que componen el metamaterial.
Ambos materiales, descritos por separado en las revistas Ciencias y Naturaleza esta semana, exhibe una propiedad llamada refracción negativa que ningún material natural posee. A medida que la luz atraviesa los materiales, se dobla hacia atrás. Un material trabaja con luz visible; el otro se ha demostrado con luz infrarroja cercana.
Los materiales, creados en el laboratorio de la Universidad de California, Berkeley, ingeniero Xiang Zhang , podría mostrar el camino hacia las capas de invisibilidad que protegen los objetos de la luz visible. Pero Steven Cummer , un ingeniero de la Universidad de Duke involucrado en el desarrollo de la capa de microondas, advierte que queda un largo camino por recorrer antes de que los nuevos materiales puedan usarse para la capa. Los materiales de camuflaje deben guiar la luz de una manera controlada con mucha precisión para que fluya alrededor de un objeto y se vuelva a formar en el otro lado sin distorsión. Los materiales de Berkeley pueden doblar la luz de la manera fundamental necesaria para el camuflaje, pero requerirán más ingeniería para manipular la luz de modo que se dirija con cuidado.
Uno de los nuevos materiales de Berkeley está compuesto por capas alternas de metal y un material aislante, ambos perforados con una cuadrícula de agujeros cuadrados. El grosor total del dispositivo es de unos 800 nanómetros; los agujeros son aún más pequeños. Estas capas apiladas forman bucles de corriente eléctrica que responden al campo magnético de la luz, lo que permite sus propiedades de flexión únicas, dice Jason Valentine , estudiante de posgrado en el laboratorio de Zhang. Los materiales naturales, por el contrario, no interactúan con el componente magnético de las ondas electromagnéticas. Al cambiar el tamaño de los agujeros, los investigadores pueden ajustar el material a diferentes frecuencias de luz. Hasta ahora, han demostrado la refracción negativa de la luz del infrarrojo cercano utilizando un prisma hecho del material.
Los investigadores han estado tratando de crear tales materiales durante casi 10 años, desde que se les ocurrió que la refracción negativa podría ser posible. Otros investigadores solo han podido crear capas individuales que son demasiado delgadas, y demasiado ineficaces, para aplicaciones de dispositivos. El material de Berkeley es aproximadamente 10 veces más grueso que los diseños anteriores, lo que ayuda a aumentar la cantidad de luz que transmite y al mismo tiempo lo hace lo suficientemente robusto como para ser la base de dispositivos reales. Esto se acerca a los dispositivos a nanoescala reales, dice Cummer sobre el prisma de Berkeley.
El segundo material está formado por nanocables de plata incrustados en aluminio. El medio de nanocables funciona como haces de fibra óptica, por lo que, en principio, es bastante diferente, dice Nicolás Fang , profesor de ciencias mecánicas e ingeniería en la Universidad de Illinois en Urbana-Champagne, que no participó en la investigación. La estructura de rejilla en capas no solo dobla la luz en la dirección negativa; también hace que se desplace hacia atrás. La luz transmitida a través de la estructura de nanocables también se dobla en la dirección negativa, pero sin viajar hacia atrás. Debido a que el trabajo aún se encuentra en las primeras etapas, no está claro qué metamaterial óptico funcionará mejor y para qué aplicaciones. Quizás las soluciones futuras combinen estos dos enfoques, dice Fang.
Hacer una capa de invisibilidad planteará grandes desafíos de ingeniería. Por un lado, los investigadores deberán escalar el material incluso para ocultar un objeto pequeño: los dispositivos de ocultación de microondas existentes y los diseños teóricos para capas ópticas deben tener muchas capas de espesor para guiar la luz alrededor de los objetos sin distorsión. La fabricación de materiales para el camuflaje de microondas fue más fácil porque estas longitudes de onda pueden controlarse mediante características estructurales relativamente grandes. Para guiar la luz visible alrededor de un objeto se requerirá un material cuya estructura se controle a nanoescala, como los fabricados en Berkeley.
El desarrollo de dispositivos de camuflaje puede llevar algún tiempo. A corto plazo, es probable que los materiales de Berkeley sean útiles en telecomunicaciones y microscopía. Las guías de ondas a nanoescala y otros dispositivos fabricados con los materiales podrían superar uno de los principales desafíos de reducir las comunicaciones ópticas al nivel de chip: permitir un control preciso de los flujos paralelos de luz rica en información en el mismo chip para que no interfieran entre sí. Y los nuevos materiales también podrían eventualmente convertirse en lentes para microscopios ópticos. Fang y otros han desarrollado los llamados superlentes para sortear las limitaciones fundamentales de resolución en los microscopios ópticos, que revelan el funcionamiento de moléculas biológicas con resolución a nanoescala que utilizan luz ultravioleta, que es dañina para las células vivas en grandes dosis. Pero no ha sido posible hacer superlentes que funcionen en las partes del espectro visible e infrarrojo cercano, ricas en información y aptas para las células.