Luz traviesa
2007/01/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
Básico pero de gran importancia. La luz actúa así sobre cualquier objeto transparente y cualquier persona que trabaje con la luz debe tener en cuenta el efecto. La luz se refracta. Pero no se refracta igual en todos los materiales; si se coloca aceite en el lugar del agua, parece que el lápiz todavía está roto, pero el ángulo de inclinación no es el mismo en ambos casos. Hay materiales que provocan a la luz un ángulo mayor que otros, una diferente refracción. Los físicos utilizan el índice de refracción para expresarlo: cuanto mayor es el número, más inclina la dirección de la luz el material.
Y, por supuesto, cuanto menor es el índice de refracción, menos empeora la dirección de la luz. Pero, ¿dónde está el límite? El índice de material no capaz de inclinar la luz será cero. Pero el valor cero no tiene por qué ser un límite, al menos en física teórica. El cero no es un límite, sino el comienzo del campo de números negativos. Esta idea puede ser aplicada al índice de refracción, ¿no hay material con índice de refracción negativo? Sería un material que inclina la luz hacia el otro lado.
Índice negativo
Al entrar en un material con un índice de refracción negativo, los rayos en lugar de avanzar en la dirección de la luz, retrocedían. Estos materiales fueron buscados y encontrados. O mejor dicho, los hicieron.
Para ello tuvieron que entender la relación entre la luz y la materia. Hay materiales que permiten el paso de la luz --vidrio, agua o aire- y otros no --madera, leche o vapor de agua-. Algunos materiales son transparentes y otros opacos. (Y otros son intermedios porque dejan pasar parte de la luz). La cuestión es por qué pasa eso.
La luz es una onda electromagnética. Esto significa que tiene dos componentes: un campo eléctrico y un campo magnético. Dejar pasar estas dos zonas es dejar pasar la luz. Ahí está la clave.
Son dos características: el campo eléctrico por un lado y el magnético por otro. La pregunta es la facilidad con la que cada uno de ellos atraviesa el material. Los físicos utilizan dos parámetros que lo miden: permitividad eléctrica y permeabilidad magnética, respectivamente.
Lo mismo ocurre con la permeabilidad magnética. Este parámetro representa la respuesta de un material a un campo magnético. Si es positiva, la respuesta magnética se alinea con el campo, es decir, se coloca en la dirección y dirección según el campo, y si es negativa en la dirección del campo, pero en sentido contrario.
Un poco de matemáticas
Teniendo en cuenta estos dos parámetros se entiende qué le pasa a la luz cuando se encuentra con un material. El índice de refracción se puede calcular fácilmente a partir de estos dos parámetros mediante la fórmula simple siguiente: n = www.euskaltel.com
Los símbolos n,{ y ã, expresan el índice de refracción, la permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética, respectivamente.
La fórmula es sencilla, es la raíz cuadrada de un producto, donde se encuentra la clave de las variaciones del índice. Cuando la raíz cuadrada da un número real, el índice de refracción puede ser positivo o negativo; y cuando la raíz cuadrada da un número imaginario, el concepto de índice de refracción no tiene sentido, es decir, ese material es opaco.
En definitiva, desde el punto de vista de los símbolos de ambos parámetros, existen cuatro opciones, ya que se trata de dos parámetros y cada parámetro puede ser positivo o negativo. Sin embargo, en cuanto a la respuesta de la luz, los materiales pueden clasificarse en tres grupos.
Los elementos incluidos en el segundo grupo tienen un único parámetro positivo, el otro es negativo. Puede ser permitividad o permeabilidad, da igual. Siendo uno negativo, matemáticamente, el índice de refracción es la raíz cuadrada de un número negativo. Esto no tiene significado físico y, de hecho, ese material es opaco, no deja pasar la luz. Por supuesto, la naturaleza está llena de estos materiales. La plata, el oro y muchos otros metales tienen permitividad negativa y permeabilidad positiva. Son opacos.
En los materiales del último grupo, ambos parámetros son negativos, permitividad y permeabilidad. En definitiva, presentan un comportamiento "inverso" con campos eléctricos y magnéticos. Ambas. Para estos materiales, la raíz con significado físico, el índice de refracción, es negativo. En estos materiales se torna la luz, por decirlo así, hacia atrás. El problema es que este tipo de materiales no se encuentran en la naturaleza. Pero se han realizado artificialmente, son metamateriales.
Metamateriales
Hoy existen, pero hasta hace poco no eran más que un concepto teórico antiguo. Ausencia de materiales en la naturaleza con permitividad eléctrica y permeabilidad magnética negativa.
En 1968, el físico ruso Victor Veselago anunció el comportamiento de estos materiales en caso de existir. Predijo el concepto de índice de refracción negativo. Sin embargo, no sabía cómo se podían hacer estos materiales. El británico John Pendry realizó una propuesta en 2000.
La idea de Pendry era unir dos anillos de cobre sin cerrar, uno dentro del otro y unidos por un hilo conductor. Es una estructura bidimensional, pero si muchas de sus copias se organizan en una red tridimensional, el resultado puede ser un metamaterial. Permite y permeabilidad negativa. La idea fue de John Pendry, el material que elaboraron en la Universidad de California, en San Diego, y pudieron confirmar que las predicciones de Veselago se dan en la realidad.
En la práctica, ¿qué?
Sin embargo, los resultados no son malos. Un ejemplo: afirman que se pueden hacer lentes perfectas. Las lentes perfectas harían lo que hacen las lentes convencionales, pero sin provocar la aberración de la luz. Serían lentes planas y finas, ya que no necesitarían curvas para conducir el rayo de luz. Por lo tanto, se podrían hacer pesos muy ligeros, lo que supone una revolución en el mundo de las gafas, telescopios, etc. Eso sí, para ello hay que buscar metamateriales que funcionen con luz visible.
