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Avance de la capa de invisibilidad
Los metamateriales interactúan con la luz de formas que parecen violar las leyes de la física. Pueden desviar la luz alrededor de un objeto como si no estuviera allí, o reducir la resolución de los microscopios ópticos a unos pocos nanómetros. Pero los metamateriales deben estructurarse minuciosamente en las nano y microescalas para lograr estos efectos exóticos. Ahora, el investigador de la Universidad de Duke que construyó la primera capa de invisibilidad en 2006 ha creado un software que acelera el diseño de metamateriales. Él y sus colegas han utilizado el programa para construir una capa de luz compleja que es invisible para una amplia banda de luz de microondas, y lo hicieron en solo unos 10 días.
Ahora lo ves: Un nuevo dispositivo que puede desviar la radiación de microondas está compuesto por unas 600 estructuras de cobre en forma de I y funciona en un amplio espectro.
David R. Smith de Duke y Tai Jun Cui de la Universidad del Sureste, en Nanjing, China, dirigió el trabajo, que es un hito en el campo de los metamateriales. La capa que construyeron los investigadores funciona con longitudes de onda de luz que van desde aproximadamente 1 a 18 gigahercios, una franja tan amplia como el espectro visible. Nadie ha fabricado todavía un dispositivo de camuflaje que funcione en el espectro visible, y los metamateriales que se han fabricado tienden a funcionar solo con bandas estrechas de luz. Pero una capa que hiciera invisible un objeto a la luz de un solo color no sería de mucha utilidad. De manera similar, un dispositivo de camuflaje no puede permitirse el lujo de tener pérdidas: si solo deja que un poco de luz se refleje en el objeto que se supone que debe ocultar, ya no es efectivo. La capa que construyó Smith tiene muy pocas pérdidas, y redirige con éxito casi toda la luz que la golpea.
Su manto ... responde a los detractores que predijeron que los mantos siempre serían de banda estrecha y con pérdidas, dice John Pendry , catedrático de física teórica del estado sólido en el Imperial College de Londres. Pendry realizó el trabajo teórico en el que se basan tanto la primera capa de invisibilidad como su nuevo sucesor. No hace falta decir que estoy encantado con este desarrollo, dice Pendry. Él y su colega del Imperial College Jensen Li propuso una versión teórica de una capa de banda ancha el año pasado, y en ese momento, dice, no esperaba un progreso experimental tan rápido.
La capa de banda ancha es una estructura rectangular que mide aproximadamente 50 por 10 centímetros, con una altura de aproximadamente 1 centímetro. Está compuesto por aproximadamente 600 estructuras de cobre en forma de I. Hacer cada estructura es un asunto simple, dice Smith. Son patrones de cobre en una placa de circuito, cortados y ordenados. Es una tecnología conocida y económica. La parte difícil es determinar las dimensiones de cada una de estas 600 estructuras y cómo organizarlas. Con la primera capa de luz, que tenía solo 10 piezas de este tipo, tuvimos que diseñar cada elemento mediante simulaciones numéricas, dice Smith. Aplicar el mismo enfoque a la capa más complicada habría consumido meses.
Incluso para los físicos e ingenieros, las matemáticas involucradas en el diseño teórico de los dispositivos de camuflaje son muy difíciles, dice Nicolás Fang , profesor de ciencias mecánicas e ingeniería en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. La forma en que un material interactúa con los componentes eléctricos y magnéticos de la luz se tiene en cuenta para determinar el tamaño, la forma y la orientación de cada estructura en un metamaterial. El trabajo teórico de Pendry y Li describió cómo hacer una capa de banda ancha utilizando materiales estructurados para que tengan una respuesta eléctrica a la luz, pero no magnética. Pero no estaba claro cómo poner en práctica esta idea. Los investigadores de la Universidad del Sureste desarrollaron nuevos algoritmos para acelerar enormemente el proceso, dice Smith. Estos algoritmos permiten predecir rápidamente cómo una estructura con una forma particular interactuará con la luz.
El manto en sí, descrito esta semana en Ciencias , es realmente impresionante, dice Fang, que está trabajando en metamateriales para obtener imágenes biológicas de superresolución. Pero lo que es más emocionante es que el nuevo enfoque del diseño acelerará el desarrollo de otros metamateriales. Smith dice que él y su grupo ya se han movido más allá del manto informado en Ciencias , pero debido a que su último trabajo no está publicado, no puede especificar qué han hecho. Ahora [que] esto se está convirtiendo en una tecnología más factible, dice, comenzaremos a ver mucho más.
Otras aplicaciones de los metamateriales, dice Smith, incluyen dispositivos ópticos que toman la energía de la luz y la concentran, en lugar de alejarla, conceptualmente, lo opuesto a una capa. Podría mejorar las células solares creando estructuras para aumentar la intensidad del campo de la luz, dice. El nuevo trabajo sugiere que esto podría hacerse en todo el espectro de longitudes de onda que se encuentran en la luz solar. De manera similar, las hiperlentes de banda ancha que recogen la luz que las lentes normales pierden, podrían revolucionar las imágenes biológicas. Fang y otros han desarrollado hiperlentes de banda estrecha con resoluciones de solo unos pocos nanómetros, que hacen visible el funcionamiento molecular de las células. Una hiperlente de banda ancha podría funcionar con todos los colores de luz visible e infrarroja.
El objetivo final, dice Pendry, es ocultarse en el espectro de luz visible, y el último trabajo de Smith señala el camino a seguir. No hay obstáculos insuperables para hacer que un manto funcione en frecuencias ópticas, dice Pendry. El documento de Duke acerca este objetivo un paso más.