Metamaterial

Refracción en un metamaterial con refracción negativa. La flecha entrecortada ilustra como se refractaría si el mismo índice fuera positivo.

No existe una definición universalmente aceptada de metamaterial; en el sentido más amplio, se trataría de un material artificial que presenta propiedades electromagnéticas inusuales, propiedades que proceden de la estructura diseñada y no de su composición, es decir, son distintas a las de sus constituyentes. En un sentido más estricto, hay quien considera un metamaterial a aquél que constituye una estructura periódica, cuya dimensión máxima sea menor que la longitud de onda con la que vaya a trabajar. De esta manera, la estructura diseñada podría considerarse como una "molécula", y sus propiedades ser modeladas mediante parámetros globales, permitividad, permeabilidad, índices de refracción.... exactamente igual a como se hace con las moléculas presentes en la naturaleza. Algunos amplían esta definición incluyendo en la misma estructuras aleatorias (igual que en la naturaleza existen sólidos cristalinos, periódicos y sólidos amorfos) y también existe quien no considera la restricción del tamaño de la estructura, aceptando también como metamateriales a aquellos de dimensiones mayores que la longitud de onda (cristales fotónicos). Por el contrario, también existe quien restringe aún más esa definición, considerando como metamateriales sólo a aquellos que presentan coeficientes de refracción negativos (metamateriales "doble negativos" o "zurdos").^[1]

Los metamateriales tienen una gran importancia en los campos de la óptica y del electromagnetismo. Muchos estudios que se llevan a cabo hoy en día van orientados al diseño de nuevos materiales capaces de tener un índice de refracción ajustable, la creación de "superlentes" que mejorarían drásticamente la calidad de las imágenes para el diagnóstico médico y otros usos.

Metamateriales Electromagnéticos

Los metamateriales son de particular importancia en el electromagnetismo (especialmente en la óptica y la fotónica). Ellos presentan un considerable potencial para una gran variedad de aplicaciones ópticas y de microondas tales como nuevos tipos sistemas moduladores, banda de filtros de transición, lentes, acopladores de microondas, y antenas aleatorias.

Con el fin de que sus propiedades funcionen en frecuencias del orden de las ondas electromagnéticas, los componentes estructurales de un metamaterial deberían ser, en principio, más pequeños que la longitud de onda de la radiación electromagnética con la que interactúa. Así, podríamos aproximar su comportamiento en esas frecuencias al de un material homogéneo, descrito con precisión por un índice de refracción eficaz. Para la luz visible, que tiene longitudes de onda inferiores a un micrómetro (560 nanómetros para la luz solar), las estructuras deberían ser del orden de la mitad o menos de la mitad de este tamaño, es decir, menos de 280 nanómetros. En frecuencias de microondas, las estructuras sólo deben ser del orden de un decímetro.

Los metamateriales por lo general consisten en estructuras periódicas, y, por tanto, tienen muchas similitudes con los cristales fotónicos; de hecho, muchos autores incluyen estos últimos dentro de la categoría de metamateriales. Sin embargo, los cristales fotónicos constan de estructuras de tamaño superior a la longitud de onda en la que funcionan, y, por tanto, su comportamiento no puede aproximarse al de un material homogéneo efectivo.

Metamateriales "zurdos" o doble negativos

La existencia de metamateriales "zurdos" (LHM) o "doble negativos" (DNG) fue formulada teóricamente por primera vez por el científico soviético Victor Veselago, en 1968.^[2] J. B. Pendry fue el primero en teorizar una forma práctica de implementar tal metamaterial. "Zurdo" en este contexto significa un material en el que la "regla de la mano derecha" no es obedecida, lo que permite que una onda electromagnética transmita energía (con una velocidad de grupo) en la dirección opuesta a su velocidad de fase. La idea inicial de J. B. Pendry, era que una distribución de cables metálicos alineados a lo largo de la dirección de propagación de la onda dan lugar a una permitividad efectiva negativa (ε <0). Sin embargo, existen materiales naturales (como Ferroeléctricos) con permitividad negativa: el reto era construir un material que tuviera al mismo tiempo una permeabilidad negativa (μ <0). En 1999, Pendry demostró que un anillo (en «C») con el eje a lo largo de la dirección de propagación podría proporcionar esa permeabilidad negativa.^[3] De esa manera, una distribución periódica de esos cables y anillos podía dar lugar a un índice de refracción efectivo negativo.

La analogía es la siguiente: Los materiales naturales están hechos de átomos, que se polarizan en presencia de campos electromagnéticos. Los dipolos así formados pueden modificar la velocidad de la luz por un factor "n" (el índice de refracción). El anillo de alambre y los cables desempeñan el papel de dipolos atómicos: el cable actúa como un átomo ferroeléctrico, mientras que el anillo actúa como un inductor "L" y la sección abierta como un condensador "C". El anillo en su conjunto, por lo tanto, actúa como un circuito "LC". Cuando el campo electromagnético pasa por el anillo, se genera una corriente inducida, que da lugar a un campo perpendicular al incidente. A la frecuencia de resonancia del anillo, el resultado equivale a una permeabilidad negativa, y así el índice de refracción es también negativo.

Referencias y Notas

Véase también

• índice de refracción
• Lista de índices de refracción
• Óptica

Enlaces externos

• Metamateriales Web Group
• Red Española de Metamateriales
• Metamateriales que varían el comportamiento de la luz.