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La invisibilidad es más fácil
El año pasado, los medios de comunicación han estado alborotados con conversaciones sobre una clase exótica de materiales, llamados metamateriales, que podrían usarse para hacer lentes planas y sin distorsiones, microscopios potentes e incluso dispositivos de camuflaje que hacen que los objetos sean invisibles. Pero las versiones de los materiales adecuados para aplicaciones prácticas han sido difíciles de hacer. Ahora, los investigadores de la Universidad de Princeton han demostrado metamateriales que tienen un rendimiento superior y son mucho más fáciles de fabricar, lo que quizás acerque estas aplicaciones a la realidad.
Luz de flexión: Un nuevo tipo de material hace que las ondas de luz (representadas por óvalos) se muevan de una manera completamente diferente a la forma en que se mueven en los materiales ordinarios.
Es un paso muy importante, dice Igor Smolyaninov , científico investigador de la Universidad de Maryland que trabaja con metamateriales. Es mucho menos costoso que cualquier otra cosa que la gente esté haciendo.
La luz que pasa de un material ordinario a otro se dobla ligeramente (piense en cómo se ve doblada una barra recta en el agua), pero la luz que pasa a un metamaterial se dobla en la dirección opuesta. Por tanto, los metamateriales tienen lo que se llama un índice de refracción negativo. Una lente hecha de tal material no tendría que ser curvada. (Es la curvatura de una lente ordinaria lo que le permite enfocar la luz entrante). Los metamateriales también podrían usarse para enrutar ondas electromagnéticas alrededor de un objeto, haciéndolo invisible. Los investigadores ya han demostrado un dispositivo de camuflaje que hace que los objetos sean invisibles a las microondas, y otros han creado materiales que refractan negativamente las ondas electromagnéticas en la parte visible del espectro electromagnético. Pero hasta ahora, los metamateriales tenían que estar modelados con formas intrincadas más pequeñas que la longitud de onda de la luz que estaban destinados a manipular. En consecuencia, los materiales que funcionan con luz de longitudes de onda microscópicas, como la luz infrarroja y visible, han sido difíciles de fabricar. Debido a la forma en que producen refracción negativa, los metamateriales existentes también han tenido una fuerte tendencia a absorber la luz, lo que los hace poco prácticos para su uso en óptica.
Los materiales desarrollados en Princeton conservan la propiedad de refracción negativa, pero son mucho más fáciles de fabricar. En lugar de requerir estructuras intrincadas, como los anillos partidos utilizados en el dispositivo de camuflaje de microondas, los materiales se pueden fabricar simplemente apilando capas extremadamente delgadas de material semiconductor. Es más, ese apilamiento se puede realizar con las mismas herramientas que se utilizan ahora para fabricar materiales semiconductores para láseres utilizados en telecomunicaciones, dice Claire Gmachl , el investigador de Princeton que dirigió el trabajo. Los nuevos materiales consisten en capas alternas de arseniuro de indio, galio y arseniuro de aluminio e indio, y están sintonizados para trabajar en la región infrarroja del espectro.
Al igual que otros metamateriales, los nuevos materiales afectan a la luz de manera diferente que los materiales ordinarios porque están hechos de estructuras significativamente más pequeñas que la longitud de onda de la luz que pasa a través de ellos. En este caso, sin embargo, son las propias capas de semiconductores las que son más delgadas que la longitud de onda de la luz. En consecuencia, una onda que atraviesa el material se encuentra con múltiples capas a la vez, respondiendo a ellas como si fueran un solo material con propiedades bastante diferentes a las de cualquiera de los semiconductores de forma aislada.
Lo que hace que los nuevos materiales sean diferentes de los metamateriales anteriores es que, en lugar de cambiar dos aspectos de la forma en que se mueve la luz, solo cambian uno. Si se piensa en la luz como una onda, el frente de onda es perpendicular a la dirección en que se mueve la luz. Imagínese una ola del océano rompiendo en tierra: se mueve en una sola dirección, pero el frente de la ola es una enorme pared de agua. Los metamateriales anteriores cambiaron la dirección de los rayos de luz que los atravesaban y el frente de onda permaneció perpendicular a la dirección del rayo. En los nuevos materiales, el haz de luz cambia de dirección, pero los frentes de onda no lo hacen, dando la impresión de que se deslizan hacia un lado en lugar de avanzar. (Vea la imagen a continuación).
Cuando un haz de luz se mueve a través de un material ordinario, se mueve en la misma dirección en la que miran las ondas de luz (parte superior de la imagen). Cuando un haz de luz entra en un nuevo tipo de metamaterial, cambia de dirección, pero las ondas permanecen mirando de la misma manera, pareciendo deslizarse hacia los lados (ver la mitad inferior de la imagen). Esta imagen es de una simulación por computadora.
Crédito: Anthony Hoffman, Universidad de Princeton
El efecto general en la dirección del haz de luz es el mismo que en el metamaterial anterior, pero los nuevos materiales son más simples de crear y absorben mucha menos luz, lo que los hace más atractivos para su uso en óptica.
La primera aplicación que están desarrollando los investigadores de Princeton es una lente plana para dispositivos de detección de sustancias químicas, una aplicación para la que los materiales que funcionan con luz infrarroja son especialmente adecuados. Gmachl dice que las configuraciones ópticas actuales para tales dispositivos son voluminosas porque usan lentes convencionales. La primera aplicación sería usar ese material para miniaturizar configuraciones ópticas reemplazando lentes curvas con lentes planas, dice ella.
Otra aplicación temprana podría ser en dispositivos de visión nocturna, que también funcionan con longitudes de onda infrarrojas. Para las personas que desean mejorar los dispositivos de visión nocturna, esto podría ser bastante interesante, dice Smolyaninov.