La Singularidad Desnuda

Un universo impredecible de pensamientos y cavilaciones sobre ciencia, tecnología y otros conundros

Posts Tagged ‘Metamaterial’

El mundo visto a través de un metamaterial

Posted by Carlos en enero 26, 2007

Cuando hace unos días hablábamos de los metamateriales, vimos que además de su relación con la consecución de invisibilidad, ofrecen grandes posibilidades para la construcción de superlentes. La clave está en el hecho de que estos metamateriales tienen un índice de refracción negativo, lo que intuitivamente quiere decir que los rayos de luz incidentes se curvan hacia “el lado contrario”. Aunque se puede intentar construir un diagrama idealizado que ilustre la situación, es muy difícil llegar a comprender todas las implicaciones del hecho de que la curvatura sea la contraria que en un material normal. Y dado que no hay nada mejor que ver con los propios ojos las cosas, he aquí lo que sucedería si tuviéramos un líquido con índice de difracción negativo:

Negative-index refraction material
Credit: G. Dolling et al. – (c) 2006 Optical Society of America

La imagen de la izquierda corresponde a la situación habitual de un líquido con índice de refracción positivo. La barra introducida en el líquido se curva en la misma dirección en la que incide en el líquido, pero con un ángulo distinto, que causa el bien conocido efecto de que la barra parezca partida. A la derecha se muestra la situación cuando el líquido tiene un índice de refracción negativo. Lo más evidente que se aprecia es el hecho de que la barra parece ahora no sólo rota, sino inclinada en dirección opuesta a la que entra. Sin embargo, hay otras cosas más sutiles e interesantes. En primer lugar la parte inferior de la interfaz líquido-aire es visible, ya que los rayos emitidos hacia abajo son refractados negativamente hacia arriba. Por el mismo motivo, la parte superior del fondo del vaso no puede verse, ya que los rayos emitidos hacia arriba son refractados hacia abajo.

Aunque recientemente se ha conseguido producir metamateriales efectivos en la banda de luz visible, estas imágenes son obviamente una recreación fotorrealista generada mediante ray-tracing por Gunnar Dolling y colaboradores, en un trabajo titulado

que apareció publicado en Optics Express. Si el efecto de la barra anterior parece sorprendente, la cosa no es nada si se observa qué sucedería cuando un objeto se zambulle en el líquido con índice de refracción negativo. Visto desde arriba, la situación normal debería ser que dicho objeto se fuese haciendo cada vez más pequeño a medida que se aleja, sumergiéndose. Sin embargo, lo que apreciamos es un aparente cambio en el sentido de movimiento del objeto, que parece agrandarse cada vez más. El motivo es que el ángulo de visión se incrementa, en lugar de decrementarse, lo que da lugar a una magnificación de la imagen. Pueden verse varios vídeos ilustrativos aquí. ¿No son maravillosas, las leyes de la física?

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Nuevos avances en metamateriales permitirán la construcción de superlentes

Posted by Carlos en enero 7, 2007

Los metamateriales vuelven a estar de actualidad. Hace algunos días comentábamos su relación con la invisibilidad: a mediados del año pasado se había conseguido invisibilizar a las microondas un disco metálico, y un estudio teórico mostraba cómo invisibilizar en todas las frecuencias a emisores activos de radiación electromagnética. Los avances en el campo no cesan, y justo se acaban de publicar dos trabajos titulados

realizados por G. Dolling y colaboradores el primero (en la revista Optics Letters) y por C. M. Soukoulis y colaboradores el segundo (en la revista Science; los autores son los mismos del primer artículo, con la excepción de G. Dolling). Tal como se describe en estos trabajos, se ha conseguido por primera vez materiales con índices de refracción negativos en el espectro visible. La siguiente figura ilustra en qué consiste exactamente que el índice de refracción sea negativo.

Refracción en metamateriales

Como puede verse, los rayos de luz refractados se curvan hacia el mismo lado que los rayos incidentes (medido en relación a la normal a la interfaz entre el metamaterial y el material normal). Puede verse una introducción bastante buena a este efecto, incluyendo algunas animaciones, en la página web del grupo de D.R. Smith (que ya se mencionó en relación a la invisibilidad).

En el caso de los trabajos mencionados anteriormente, la refracción negativa se ha conseguido a través de un metamaterial con estructura mallada y compuesto de plata. Concretamente, se trata de un sustrato de vidrio sobre el que se asienta una capa de plata y fluoruro de magnesio, y en la que se realizan perforaciones de 100 nm de tamaño. Esta composición supone un gran avance en relación a intentos anteriores basados en nanobarras de oro, debido a la menor resistencia eléctrica del material. Más aún, el haber logrado esta refracción negativa en el espectro visible abre la puerta al desarrollo de superlentes (lentes que superan el límite de difracción), cuya superior resolución permitiría construir dispositivos que podrían observar el interior de una célula, o diagnosticar enfermedades a bebés aún en el útero.

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La invisibilidad, un poco más cerca

Posted by Carlos en diciembre 27, 2006

Conseguir la invisibilidad de un objeto o persona es un anhelo bastante antiguo, pero poco a poco la tecnología va dando pasos hacia su consecución. El último avance lo puede haber conseguido Allan Greenleaf, catedrático de matematicas en la Universidad de Rochester, y colaboradores, con un trabajo titulado:

Predator cloak armour Para entender lo que el Prof. Greenleaf y su equipo proponen, es preciso recapitular brevemente el estado de la cuestión. Básicamente, para alcanzar la invisibilidad es preciso aislar una región espacial de todo tipo de ondas electromagnéticas (aunque en principio, también podríamos simplemente concentrarnos en el espectro visible, y dejar que dicha región fuera visible a infrarrojos, ultravioletas, microondas, etc.). Concretamente, es necesario “apantallar” la zona deseada, de manera que no sólo no absorba radiación en el espectro deseado, sino que además la redirija en la hipotética trayectoria que tomaría si no hubiera ningún objeto en su camino. Obviamente, esto es muy complicado, y de hecho, imposible de conseguir con total perfección, pero pueden conseguirse aproximaciones razonablemente buenas (algo parecido al dispositivo de camuflaje del alienígena de la película “Depredador“, que proporciona una especie de transparencia distorsionada, difícil de distinguir del entorno).

La clave para conseguir un tipo de apantallamiento como el descrito reside en el uso de metamateriales, objetos cuyas propiedades electromagnéticas no dependen de su composición, sino de su estructura. Concretamente, las características estructurales del material han de tener un tamaño del orden de la longitud de onda con la que se desea que interactúe (y en la práctica mucho menores). En el caso de la luz visible, estaríamos hablando de entre 400 nm y 700 nm, lo que implica un desafío nanotecnológico. Algo más modesto como las microondas requiere una escala estructural de centímetros (la longitud de onda de un horno de microondas doméstico puede estar en torno a los 12 cm). Precisamente, a mediados de este año, un equipo de investigadores liderados por David R. Smith, de la Universidad de Duke, publicaron un artículo en Science titulado

en el que mostraron en la práctica cómo podía conseguirse invisibilidad a ciertas bandas de las microondas por este procedimiento.

copper ring microwave cloak

En la línea de este último trabajo, el Prof. Greenleaf y colaboradores han estudiado teóricamente un caso más general, en el que no sólo se quiere invisibilizar un objeto a todas las frecuencias electromagnéticas, sino que se quiere que el apantallamiento funcione también en el caso en el que el propio objeto sea un emisor activo de radiación (por ejemplo, un teléfono móvil). Su análisis revela que en este último caso, las ecuaciones divergen en los bordes de la zona apantallada, lo que indica que la generalización del enfoque usado por el Prof. Smith y colaboradores es problemática. Sin embargo, si se añade una cubierta conductora de electricidad de características apropiadas, o si se usa un sistema de doble apantallamiento (uno hacia el exterior, y otro hacia el interior) cuidadosamente ajustado, el problema se resuelve.

Hay que tomar estos resultados con cierta precaución, ya que aún no se ha completado el proceso de revisión, pero las perspectivas que se abren son ciertamente interesantes. Habrá que ver, eso sí, hasta qué punto es realizable en la práctica esta nueva propuesta. Quizás lo sepamos pronto.

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