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Luz traviesa

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

Avanza siempre hacia delante; los rayos de luz, si no encuentran obstáculos, avanzan en una línea recta. Para retroceder tienen que encontrarse con un espejo, es decir, tienen que reflejarse. Pero con un obstáculo transparente, los rayos siguen adelante, cambiando de dirección pero avanzando. Hasta ahora, al menos, así ha sido. Sin embargo, en algunos nuevos materiales la luz se torce y retrocede sin reflejarse.
Luz traviesa
01/01/2007 | Roa Zubia, Guillermo | Elhuyar Zientzia Komunikazioa

(Foto: De archivo)
El ejemplo del vaso y el lápiz se ha utilizado muchas veces para hablar de la luz. Metiendo el lápiz dentro del vaso, sin sumergirse totalmente en el agua, se ve claramente el efecto de la refracción: parece que el lápiz está roto desde el punto de entrada al agua. Es un efecto óptico, el lápiz no está roto, pero los rayos de luz cambian de dirección en ese punto y el ojo ve la luz (no el lápiz). Es un efecto básico.

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

El modelo de balanceo explica cómo un sistema físico puede reaccionar "al revés" ante una fuerza. Es cuestión de frecuencias; en caso de empujar más rápido que la frecuencia propia del balanceo, la respuesta al balanceo es contraria.
De archivo

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.

El índice de refracción habitual es positivo. En la superficie de un líquido con este índice (izquierda) los rayos de luz se inclinan hacia delante. Pero si un líquido tuviera un índice negativo (a la derecha), los rayos de luz se inclinarían hacia atrás.
(Foto: De archivo)
La permitividad eléctrica indica la respuesta de un material cuando se encuentra con un campo eléctrico. Si es positivo, todos los electrones del material se desplazan hacia el lado que empuja las zonas y si es negativo hacia el lado contrario. En la mayoría de los materiales suele ser positivo, pero hay materiales con permitividad negativa, incluso en la naturaleza.

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

SRR: Material propuesto por Pendry.
UNE

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.

Las lentes perfectas pueden revolucionar el diseño de microscopios, así como el diseño de gafas, telescopios y otros instrumentos ópticos.
De archivo
Los materiales del primer grupo presentan ambos parámetros positivos. (Por lo tanto, el interior de la raíz cuadrada también es positivo, y la raíz con significado físico, índice de refracción, es positivo.) Como consecuencia, dejan pasar la luz, es decir, son transparentes. Los ejemplos más sencillos son el vidrio, el agua y el aire (ejemplos anteriormente expuestos). Por supuesto, el polimetacrilato es muy común en la tecnología actual para la fabricación de objetos transparentes. Y hay que destacar que el vacío también se encuentra en este grupo, es decir, el espacio vacío, que desde el punto de vista de la transmisión de la luz puede considerarse material, tiene permitividades y permeabilidades positivas --no son ceros -, y por eso es transparente. Por eso vemos el sol y las estrellas, entre otras cosas.

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

Como consecuencia de la refracción negativa, la trayectoria de los rayos de luz puede tener un punto de convergencia dentro de los metamateriales.
Universidad JENA

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?

Una lente perfecta enfoca la imagen de una manera especial, entre otras cosas enfocada dentro de la lente.
G. Roa
La tecnología de los metamateriales está en sus primeros pasos. De momento, sólo se ha probado en los laboratorios de física. Además, con la luz visible no han conseguido este efecto, ya que se pierde la permitividad o permeabilidad negativa para ondas mayores que las microondas. Para conseguir el efecto de la refracción negativa se deberán realizar otros metamateriales.

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.

John Pendry y refracción negativa
John Pendry es un físico del Imperial College de Londres. En la actualidad es un ejemplo de los que investigan la refracción negativa, ya que Pendry fue el primero en diseñar un metamaterial.
Los metamateriales se caracterizan por su interacción con las ondas electromagnéticas. De hecho, los metamateriales dan una respuesta 'negativa' a la electricidad y al magnetismo.
(Foto: G. Roa)
En una conferencia impartida en la Universidad Pública de Navarra, el propio Pendry nos explicó lo que significa:
"Se ve en la vida cotidiana, por ejemplo cuando los niños van al parque y se sientan a la balanza. Si empujas el balanceo, la balanza comenzará con frecuencia natural. Si lo empujas muy lentamente, el balanceo se moverá en el sentido del impulso. Pero si lo haces muy rápido (¡no sé si lo has probado! ), el balanceo no puede "responder" tan rápido como sea necesario, por lo que se moverá en sentido contrario al empuje. Eso es lo que ocurre si empujas el balanceo más rápido que la balanza que tiene.
Así se obtiene una respuesta negativa en el electromagnetismo. La resonancia se produce como un balanceo en moléculas y átomos de materiales. Y se da el fenómeno que hemos expuesto. Las moléculas tienen una vibración propia, pero si las excitamos con mayor frecuencia que ésta, la respuesta del material será negativa, es decir, en sentido contrario."
Puente Roa, Guillermo
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