Argi bihurria

Edalontziaren eta arkatzaren adibidea askotan erabili da argiaz hitz egiteko. Arkatza edalontzi barruan sartuta, uretan erabat murgildu gabe, argi ikusten da errefrakzioaren efektua: ematen du arkatza puskatuta dagoela uretan sartzen den tokitik. Efektu optikoa da, noski; arkatza ez dago puskatuta, baina argi-izpiek norabidez aldatzen dute puntu horretan, eta begiak argia ikusten du (ez arkatza). Oinarrizko efektua da.

Oinarrizkoa, baina garrantzi handikoa. Izan ere, edozein objektu gardenetan jokatzen du horrela argiak, eta argiarekin lan egiten duen edozeinek kontuan hartu behar du efektua. Argia errefraktatu egiten da. Baina ez da material guztietan berdin errefraktatzen; uraren lekuan olioa jarriz gero, arkatza oraindik ere puskatuta dagoela ematen du, baina okertze-angelua ez da berdina bi kasuetan. Material batzuek beste batzuek baino angelu handiagoa eragiten diote argiari, errefrakzio ezberdina. Fisikariek errefrakzio-indizea erabiltzen dute hori adierazteko: zenbat eta zenbaki handiagoa izan, orduan eta gehiago okertzen du argiaren norabidea materialak.

Eta, jakina, errefrakzio-indizea zenbat eta txikiagoa izan, orduan eta gutxiago okertzen du argiaren norabidea. Baina, non dago muga? Argia okertzeko gai ez den materialaren indizea zero izango da. Baina zero balioak ez du zertan muga izan, fisika teorikoan behinik behin. Zeroa ez da muga, zenbaki negatiboen eremuaren hasiera baizik. Agian, errefrakzio-indizeari aplika dakioke ideia hori; ez dago errefrakzio-indize negatiboa duen materialik? Argia 'beste alderantz' okertzen duen materiala izango litzateke.

Indize negatiboa

Errefrakzio-indize negatiboa duen material batean sartzean, izpiek argiaren norabidean aurrera egin ordez, atzera egingo lukete. Horrelako materialak bilatu eta aurkitu egin zituzten. Edo, hobeto esanda, egin egin zituzten.

Horretarako, argiaren eta materiaren arteko harremana ulertu behar izan zuten. Material batzuek pasatzen uzten diote argiari --beirak, urak edo aireak-- eta beste batzuek ez --zurak, esneak edo ur-lurrunak--. Material batzuk gardenak dira eta beste batzuk, berriz, opakuak. (Eta beste batzuk tartekoak dira, argiari neurri batean uzten diotelako pasatzen). Kontua da zergatik gertatzen den hori.

Argia uhin elektromagnetiko bat da. Horrek esan nahi du bi osagai dituela: eremu elektriko bat eta eremu magnetiko bat. Bi eremu horiei pasatzen uztea da argiari pasatzen uztea. Hor dago gakoa.

Bi ezaugarri dira: eremu elektrikoa alde batetik, eta magnetikoa bestetik. Galdera da zenbateko erraztasunez zeharkatzen duen horietako bakoitzak materiala. Hori neurtzen duten bi parametro erabiltzen dituzte fisikariek: permitibitate elektrikoa eta iragazkortasun magnetikoa, hurrenez hurren.

Permitibitate elektrikoak adierazten du nolako erantzuna duen material batek eremu elektriko batekin topo egiten duenean. Positiboa bada, materialaren elektroi guztiak eremuak bultzatzen dituen alderantz mugitzen dira; eta, negatiboa bada, kontrako alderantz. Material gehienetan, positiboa izaten da, baina badira permitibitate negatiboa duten materialak, baita naturan ere.

Gauza bera gertatzen da iragazkortasun magnetikoarekin. Parametro horrek adierazten du nolako erantzuna duen material batek eremu magnetiko baten aurrean. Positiboa bada, erantzun magnetikoa eremuarekin batera lerrokatzen da, hau da, eremuaren araberako norabidean eta noranzkoan jartzen da; eta, negatiboa bada, eremuaren norabidean, baina kontrako noranzkoan.

Matematika pixka bat

Bi parametro horiek kontuan hartuta ulertzen da zer gertatzen zaion argiari material batekin topo egiten duenean. Errefrakzio-indizea erraz kalkula daiteke bi parametro horietatik honako formula sinple honen bitartez: n = √εμ

n, ε eta μ ikurrek errefrakzio-indizea, permitibitate elektrikoa eta iragazkortasun magnetikoa adierazten dituzte, hurrenez hurren.

Formula sinplea da; biderketa baten erro karratua da; hain zuzen ere, erro karratu horretan dago indizearen gorabeheren gakoa. Erro karratuak zenbaki erreal bat ematen duenean, errefrakzio-indizea positiboa edo negatiboa izan daiteke; eta erro karratuak zenbaki irudikaria ematen duenean, errefrakzio-indizearen kontzeptuak ez du zentzurik, hau da, material hori opakua da.

Azken batean, bi parametroen ikurren ikuspuntutik, lau aukera daude, bi parametro direlako eta parametro bakoitza positiboa edo negatiboa izan daitekeelako. Nolanahi ere, argiaren erantzunari dagokionez, hiru taldetan sailka daitezke materialak.

Lehen taldeko materialek bi parametroak positiboak dituzte. (Beraz, erro karratuaren barrukoa ere positiboa da, eta esanahi fisikoa duen erroketa ere, errefrakzio-indizea, positiboa da.) Horren ondorioz, argiari pasatzen uzten diote, hau da, gardenak dira. Beira, ura eta airea dira adibide errazenak (lehenago azaldu diren adibideak). Ez dira adibide bakarrak, noski; polimetakrilatoa, adibidez, oso arrunta da gaurko teknologian objektu gardenak egiteko. Eta azpimarratu behar da hutsa bera ere talde honetan dagoela, espazio hutsa alegia; argiaren transmisioaren ikuspuntutik materialtzat har daiteke, permitibitate eta iragazkortasun positiboak ditu --ez dira zero--, eta horregatik da gardena. Besteak beste, horregatik ikusten ditugu Eguzkia eta izarrak.

Bigarren taldean dauden elementuek parametro bakarra dute positiboa; bestea negatiboa da. Permitibitatea edo iragazkortasuna izan daiteke, berdin du. Bietako bat negatiboa izanik, matematikaren ikuspuntutik, zenbaki negatibo baten erro karratua da errefrakzio-indizea. Horrek ez du esanahi fisikorik, eta, hain zuzen ere, material hori opakua da; argiari ez dio pasatzen uzten. Jakina, natura horrelako materialez beteta dago. Zilarrak, urreak eta beste metal askok, adibidez, permitibitate negatiboa eta iragazkortasun positiboa dute. Opakuak dira.

Azken taldeko materialetan, bi parametroak dira negatiboak, permitibitatea eta iragazkortasuna. Azken batean, 'alderantzizko' jokaera dute eremu elektriko eta magnetikoekin. Biekin. Material horientzat, esanahi fisikoa duen erroketa, errefrakzio-indizea, negatiboa da. Material horietan bihurritzen da argia, nolabait esateko, 'atzerantz'. Kontua da horrelako materialik ez dagoela naturan. Baina artifizialki egin dituzte; metamaterialak dira.

Metamaterialak

Gaur egun existitzen dira, baina, duela gutxi arte, aspaldiko kontzeptu teoriko bat besterik ez ziren. Permitibitate elektrikoa eta iragazkortasun magnetiko negatiboa dituen materialik ez dago naturan.

1968an, Victor Veselago fisikari errusiarrak iragarri zuen nola jokatuko zuten material horiek existituz gero. Errefrakzio-indize negatiboaren kontzeptua iragarri zuen, alegia. Hala ere, ez zekien nola egin zitezkeen material horiek. John Pendry britainiarrak proposamen bat egin zuen 2000n.

Pendryren ideia zen itxi gabeko kobrezko bi eraztun elkartzea, bata bestearen barruan jarrita eta hari eroale batez lotuta. Bi dimentsioko egitura da, baina, horren kopia asko hiru dimentsioko sare batean antolatuz gero, emaitza metamaterial bat izan daiteke. Permitibitate eta iragazkortasun negatiboak ditu. John Pendryk izan zuen ideia, Kaliforniako Unibertsitatean egin zuten materiala, San Diegon, eta baieztatu ahal izan zuten Veselagok iragarritakoak gertatu egiten direla errealitatean.

Praktikan, zer?

Metamaterialen teknologia hasierako urratsetan dago. Oraingoz, fisikako laborategietan besterik ez da probatu. Gainera, argi ikusgaiarekin ez dute lortu efektu hori, mikrouhinak baino uhin handiagoentzat galtzen baitira permitibitate edo iragazkortasun negatiboa. Errefrakzio negatiboaren efektua lortzeko, beste metamaterial batzuk egin beharko dituzte.

Nolanahi ere, emaitzak ez dira txarrak. Adibide bat: leiar perfektuak egin daitezkeela baieztatu dute. Leiar perfektuek ohiko leiarrek egiten dutena egingo lukete, baina argiaren aberraziorik eragin gabe. Leiar lauak eta finak izango lirateke, ez bailukete kurbarik behar argi-izpia bideratzeko. Beraz, pisuz oso arinak egin litezke, eta horrek esan nahi du betaurrekoen, teleskopioen eta abarren munduan iraultza ekarriko luketela. Hori bai, horretarako, argi ikusgaiarekin funtzionatzen duten metamaterialak aurkitu behar dira.