Llum entremaliada

2007/01/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Fisika

L'exemple del got i el llapis s'ha utilitzat moltes vegades per a parlar de la llum. Ficant el llapis dins del got, sense submergir-se totalment en l'aigua, es veu clarament l'efecte de la refracció: sembla que el llapis està trencat des del punt d'entrada a l'aigua. És un efecte òptic, el llapis no està trencat, però els raigs de llum canvien de direcció en aquest punt i l'ull veu la llum (no el llapis). És un efecte bàsic.

Bàsic però de gran importància. La llum actua així sobre qualsevol objecte transparent i qualsevol persona que treballi amb la llum ha de tenir en compte l'efecte. La llum es refracta. Però no es refracta igual en tots els materials; si es col·loca oli en el lloc de l'aigua, sembla que el llapis encara està trencat, però l'angle d'inclinació no és el mateix en tots dos casos. Hi ha materials que provoquen a la llum un angle major que uns altres, una diferent refracció. Els físics utilitzen l'índex de refracció per a expressar-lo: com més gran és el número, més inclina la direcció de la llum el material.

I, per descomptat, quant menor és l'índex de refracció, menys empitjora la direcció de la llum. Però, on està el límit? L'índex de material no capaç d'inclinar la llum serà zero. Però el valor zero no té per què ser un límit, almenys en física teòrica. El zero no és un límit, sinó el començament del camp de números negatius. Aquesta idea pot ser aplicada a l'índex de refracció, no hi ha material amb índex de refracció negatiu? Seria un material que inclina la llum cap a l'altre costat.

Índex negatiu

En entrar en un material amb un índex de refracció negatiu, els raigs en lloc d'avançar en la direcció de la llum, retrocedien. Aquests materials van ser buscats i oposats. O més ben dit, els van fer.

Per a això van haver d'entendre la relació entre la llum i la matèria. Hi ha materials que permeten el pas de la llum --vidre, aigua o aire- i uns altres no --fusta, llet o vapor d'aigua-. Alguns materials són transparents i altres opacs. (I uns altres són intermedis perquè deixen passar part de la llum). La qüestió és per què passa això.

La llum és una ona electromagnètica. Això significa que té dos components: un camp elèctric i un camp magnètic. Deixar passar aquestes dues zones és deixar passar la llum. Aquí està la clau.

Són dues característiques: el camp elèctric d'una banda i el magnètic per un altre. La pregunta és la facilitat amb la qual cadascun d'ells travessa el material. Els físics utilitzen dos paràmetres que ho mesuren: permitividad elèctrica i permeabilitat magnètica, respectivament.

La permitividad elèctrica indica la resposta d'un material quan es troba amb un camp elèctric. Si és positiu, tots els electrons del material es desplacen cap al costat que empeny les zones i si és negatiu cap al costat contrari. En la majoria dels materials sol ser positiu, però hi ha materials amb permitividad negativa, fins i tot en la naturalesa.

El mateix ocorre amb la permeabilitat magnètica. Aquest paràmetre representa la resposta d'un material a un camp magnètic. Si és positiva, la resposta magnètica s'alinea amb el camp, és a dir, es col·loca en la direcció i direcció segons el camp, i si és negativa en la direcció del camp, però en sentit contrari.

Una mica de matemàtiques

Tenint en compte aquests dos paràmetres s'entén què li passa a la llum quan es troba amb un material. L'índex de refracció es pot calcular fàcilment a partir d'aquests dos paràmetres mitjançant la fórmula simple següent: n = www.euskaltel.com

Els símbols n,{ i ã, expressen l'índex de refracció, la permitividad elèctrica i la permeabilitat magnètica, respectivament.

La fórmula és senzilla, és l'arrel quadrada d'un producte, on es troba la clau de les variacions de l'índex. Quan l'arrel quadrada dóna un nombre real, l'índex de refracció pot ser positiu o negatiu; i quan l'arrel quadrada dóna un nombre imaginari, el concepte d'índex de refracció no té sentit, és a dir, aquest material és opac.

En definitiva, des del punt de vista dels símbols de tots dos paràmetres, existeixen quatre opcions, ja que es tracta de dos paràmetres i cada paràmetre pot ser positiu o negatiu. No obstant això, quant a la resposta de la llum, els materials poden classificar-se en tres grups.

Els materials del primer grup presenten tots dos paràmetres positius. (Per tant, l'interior de l'arrel quadrada també és positiu, i l'arrel amb significat físic, índex de refracció, és positiu.) Com a conseqüència, deixen passar la llum, és a dir, són transparents. Els exemples més senzills són el vidre, l'aigua i l'aire (exemples anteriorment exposats). Per descomptat, el polimetacrilato és molt comú en la tecnologia actual per a la fabricació d'objectes transparents. I cal destacar que el buit també es troba en aquest grup, és a dir, l'espai buit, que des del punt de vista de la transmissió de la llum pot considerar-se material, té permitividades i permeabilitats positives --no són zeros -, i per això és transparent. Per això veiem el sol i les estrelles, entre altres coses.

Els elements inclosos en el segon grup tenen un únic paràmetre positiu, l'altre és negatiu. Pot ser permitividad o permeabilitat, és igual. Sent un negatiu, matemàticament, l'índex de refracció és l'arrel quadrada d'un número negatiu. Això no té significat físic i, de fet, aquest material és opac, no deixa passar la llum. Per descomptat, la naturalesa està plena d'aquests materials. La plata, l'or i molts altres metalls tenen permitividad negativa i permeabilitat positiva. Són opacs.

En els materials de l'últim grup, tots dos paràmetres són negatius, permitividad i permeabilitat. En definitiva, presenten un comportament "invers" amb camps elèctrics i magnètics. Ambdues. Per a aquests materials, l'arrel amb significat físic, l'índex de refracció, és negatiu. En aquests materials es torna la llum, per dir-ho així, cap endarrere. El problema és que aquest tipus de materials no es troben en la naturalesa. Però s'han realitzat artificialment, són metamateriales.

Metamateriales

Avui existeixen, però fins fa poc no eren més que un concepte teòric antic. Absència de materials en la naturalesa amb permitividad elèctrica i permeabilitat magnètica negativa.

En 1968, el físic rus Victor Veselago va anunciar el comportament d'aquests materials en cas d'existir. Va predir el concepte d'índex de refracció negatiu. No obstant això, no sabia com es podien fer aquests materials. El britànic John Pendry va realitzar una proposta en 2000.

La idea de Pendry era unir dos anells de coure sense tancar, un dins de l'altre i units per un fil conductor. És una estructura bidimensional, però si moltes de les seves còpies s'organitzen en una xarxa tridimensional, el resultat pot ser un metamaterial. Permet i permeabilitat negativa. La idea va ser de John Pendry, el material que van elaborar en la Universitat de Califòrnia, en Sant Diego, i van poder confirmar que les prediccions de Veselago es donen en la realitat.

En la pràctica, què?

La tecnologia dels metamateriales està en els seus primers passos. De moment, només s'ha provat en els laboratoris de física. A més, amb la llum visible no han aconseguit aquest efecte, ja que es perd la permitividad o permeabilitat negativa per a ones majors que les microones. Per a aconseguir l'efecte de la refracció negativa s'hauran de realitzar uns altres metamateriales.

No obstant això, els resultats no són dolents. Un exemple: afirmen que es poden fer lents perfectes. Les lents perfectes farien el que fan les lents convencionals, però sense provocar l'aberració de la llum. Serien lents planes i fines, ja que no necessitarien corbes per a conduir el raig de llum. Per tant, es podrien fer pesos molt lleugers, la qual cosa suposa una revolució en el món de les ulleres, telescopis, etc. Això sí, per a això cal buscar metamateriales que funcionin amb llum visible.