Metamateriales, una nueva perspectiva

26 abril 2017

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Desde los comienzos de la humanidad la evolución y el éxito de las sociedades han estado íntimamente ligadas a la capacidad de desarrollar materiales capaces de satisfacer sus necesidades. Uno de los grandes campos de la ciencia se basa en buscar nuevos materiales y entender sus propiedades, las cuales están muy relacionadas con la composición y estructura de éstos.

Elías Saugar Gotor

Todas las propiedades de los materiales que conocemos hoy en día están determinadas por los enlaces químicos, los elementos que constituyen el propio material y su ordenamiento estructural. Por ejemplo, los metales (Fe, Cu, Cr, Ni, etc…) son buenos conductores del calor y la electricidad, los semiconductores (Si, GaAs, etc. …) están presentes en todos los dispositivos electrónicos que utilizamos diariamente. Pero, ¿y si fuésemos capaces de crear materiales completamente artificiales que no dependan de los enlaces ni componentes químicos del mismo, sino más bien de su estructura intrínseca? Podríamos pensar en materiales artificiales en los que podamos diseñar su interacción con las ondas electromagnéticas (EM), como la luz visible, y obtener propiedades nunca vistas. Los metamateriales (MTM’s) ofrecen una nueva hoja de ruta para crear estos nuevos materiales y diseñar sus propiedades a voluntad.

El concepto de metamaterial apareció por primera vez en un artículo del físico ruso Víctor Veselago publicado en 1967. En este artículo, Veselago teorizó acerca de las extrañas propiedades ópticas que tenían los MTM’s. Sin embargo, no fue hasta 1999 cuando el físico teórico, John Pendry, catedrático de física teórica del estado sólido en Oxford y miembro del Imperial College, aportó el fundamento matemático de los MTM’s y su comportamiento con la interacción de la luz en un artículo publicado en 1999.

Fig. 1. John Pendry (izquierda). Victor Veselago (derecha).

Se entiende por un sólido cristalino, a un conjunto de moléculas dispuestas de forma ordenada unidas entre sí mediante enlaces químicos. La interacción de la luz con un sólido vendrá dada por la respuesta de esas moléculas a la onda electromagnética incidente. Un metamaterial, aunque no existe una definición formal, se pueden describir como un material artificial en el que sus propiedades no provienen de tener un cierto tipo de átomo, o lo que es lo mismo de su composición, sino que provienen de la ordenación y forma de sus elementos constituyentes (fig. 2.). De este modo es posible modelar los “meta-átomos” haciendo que interactúen con las ondas EM de una forma concreta. La manera en la que es posible hacer que interactúen con las ondas EM es controlar la permeabilidad magnética  y la permitividad  de los mismos. En los materiales formados por átomos, estas cantidades son positivas, lo que implica un incide de refracción positivo mientras que en el caso de los MTM’s tanto la permitividad como la permeabilidad pueden ser negativas y obtener un índice de refracción negativo.

Fig. 2. (Superior izquierda) Estructura compuesta por meta-átomos denominados Split-Ring Resonators (SRR). (Superior derecha) Distintos tipo de meta-átomos. (Inferior izquierda) Imagen SEM de cuatro capas superpuestas de SRR. (Inferior derecha) Imagen SEM oblicua de cuatro capas SRR.

La refracción es un efecto de la óptica que está muy ligado con las propiedades estructurales de los materiales. El hecho de que el índice de refracción sea negativo tiene importantes consecuencias y da lugar a fenómenos exóticos.

Fig. 3. Camino óptico de un rayo de luz al atravesar un material con un índice de refracción positivo y negativo.

Una de las principales aplicaciones, y quizás la más popular, es la capacidad de hacer invisible a un objeto y en ello los memateriales podrían aportar y aportan de hecho una buena solución. La idea básica es hacer fluir la radiación electromagnética alrededor del objeto y que llegue al observador sin ninguna perturbación, de tal forma que el propio observador no tenga constancia del objeto que tiene delante. Es como si el agua fluyese alrededor de una roca situada en mitad de un rio. En el siguiente video, el propio John Pendry da una excelente charla al respecto.

El primer dispositivo invisible a frecuencias de microondas fue el Split-Ring Resonator (SRR), véase la figura 4. Consiste en varios anillos concéntricos que han sido cortados en varios lugares. Este dispositivo está compuesto por pequeños circuitos LC de tal forma que cuando inciden las ondas EM se induce en ellos corrientes eléctricas. Esto se traduce en una gran variedad de valores de la permeabilidad magnética y de constante dieléctrica, incluso valores negativos para algunas frecuencias. En el siguiente video John Pendry habla sobre este dispositivo. John Pendry comenta que a pesar de no ser un dispositivo que se comporta como un dispositivo de invisibilidad ideal las ondas consiguen evitar el objeto.

Fig. 4. (Superior) Primer dispositivo de invisibilidad para frecuencias de microondas. (Inferior A) Comportamiento ideal del dispositivo. (Inferior C) Resultados experimentales.

Otra de las aplicaciones potenciales de los MTM’s es la posibilidad de crear lentes perfectas. Existe un límite fundamental a la resolución que se puede llegar a tener en los dispositivos ópticos convencionales. Este límite se denomina límite de difracción, y lo que nos dice es que no es posible resolver objetos de un tamaño menor a la longitud de onda que estemos utilizando para iluminar dicho objeto. Esto se debe a las denominadas ondas evanescentes. Cuando queremos resolver un objeto con detalles de un menor tamaño que la longitud de onda que estemos utilizando (por ejemplo la observación en un microscopio óptico convencional), la onda resultante de incidir sobre el objeto se atenúa muy rápidamente, por lo que no consigue llegar al sistema óptico toda la información. Sin embargo los MTM’s son capaces de amplificar estas ondas evanescentes que contienen la información de los objetos más pequeños y son capaces de resolverlas. En la figura 5 observamos como la lente, con índice de refracción negativo, puede recuperar una onda evanescente y formar una imagen.

Fig. 5. a) Lente con índice de refracción negativo es capaz de llevar los rayos divergentes de un objeto a una imagen enfocada. b) Recupera la onda evanescente a través del metamaterial. c) Imagen por SEM.

En 2005 el efecto de superlente o lente perfecta fue observado por X. Zhang et al. a frecuencias ópticas en la universidad de Berkley. Consiguieron reconstruir una imagen con detalles más pequeños que la longitud de onda empleada (Fig. 6). En la figura (6b) y (6d) se observa la comparativa de dos imágenes de un objeto nanométrico arbitrario, en la (6b) se utilizó una superlente de plata y en la (6d) no, como se puede observar, la imagen en la que se utiliza la superlente se obtiene mayor resolución que en la otra.

Fig. 6. Imagen 2D de un objeto arbitraria a escala nanométrica. a) Imagen FIB (Focused Ion Beam) de la imagen. b) Imagen del objeto empleando superlentes. C) y e) Sección tranversal de la zona recuadrada. d) Imagen resultante sin el uso de la superlente.

Sin lugar a dudas, los MTM’s se han convertido en un campo de investigación realmente atractivo debido a las excelentes aplicaciones que plantea. Quizá en los próximos años seamos testigos de avances tan importantes como materiales invisibles a longitudes de ondas más pequeñas. Muchas otras aplicaciones están por descubrir, puede que con un control completamente libre de las propiedades de los MTM’s las próximas aplicaciones estén limitadas únicamente por nuestra imaginación.

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