Luz travesa

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

• Fisika

O exemplo do vaso e o lapis utilizouse moitas veces paira falar da luz. Metendo o lapis dentro do vaso, sen mergullarse totalmente na auga, vese claramente o efecto da refracción: parece que o lapis está roto desde o punto de entrada á auga. É un efecto óptico, o lapis non está roto, pero os raios de luz cambian de dirección nese punto e o ollo ve a luz (non o lapis). É un efecto básico.

Básico pero de gran importancia. A luz actúa así sobre calquera obxecto transparente e calquera persoa que traballe coa luz debe ter en conta o efecto. A luz se refracta. Pero non se refracta igual en todos os materiais; se se coloca aceite no lugar da auga, parece que o lapis aínda está roto, pero o ángulo de inclinación non é o mesmo en ambos os casos. Hai materiais que provocan á luz un ángulo maior que outros, una diferente refracción. Os físicos utilizan o índice de refracción paira expresalo: canto maior é o número, máis inclina a dirección da luz o material.

E, por suposto, canto menor é o índice de refracción, menos empeora a dirección da luz. Pero, onde está o límite? O índice de material non capaz de inclinar a luz será cero. Pero o valor cero non ten por que ser un límite, polo menos en física teórica. O cero non é un límite, senón o comezo do campo de números negativos. Esta idea pode ser aplicada ao índice de refracción, non hai material con índice de refracción negativo? Sería un material que inclina a luz cara ao outro lado.

Índice negativo

Ao entrar nun material cun índice de refracción negativo, os raios en lugar de avanzar na dirección da luz, retrocedían. Estes materiais foron buscados e atopados. Ou mellor devandito, fixéronos.

Paira iso tiveron que entender a relación entre a luz e a materia. Hai materiais que permiten o paso da luz --vidro, auga ou aire- e outros non --madeira, leite ou vapor de auga-. Algúns materiais son transparentes e outros opacos. (E outros son intermedios porque deixan pasar parte da luz). A cuestión é por que pasa iso.

A luz é una onda electromagnética. Isto significa que ten dous compoñentes: un campo eléctrico e un campo magnético. Deixar pasar estas dúas zonas é deixar pasar a luz. Aí está a clave.

Son dúas características: o campo eléctrico por unha banda e o magnético por outro. A pregunta é a facilidade coa que cada un deles atravesa o material. Os físicos utilizan dous parámetros que o miden: permitividad eléctrica e permeabilidade magnética, respectivamente.

A permitividad eléctrica indica a resposta dun material cando se atopa cun campo eléctrico. Si é positivo, todos os electróns do material desprázanse cara ao lado que empuxa as zonas e si é negativo cara ao lado contrario. Na maioría dos materiais adoita ser positivo, pero hai materiais con permitividad negativa, mesmo na natureza.

O mesmo ocorre coa permeabilidade magnética. Este parámetro representa a resposta dun material a un campo magnético. Si é positiva, a resposta magnética alíñase co campo, é dicir, colócase na dirección e dirección segundo o campo, e si é negativa na dirección do campo, pero en sentido contrario.

Un pouco de matemáticas

Tendo en conta estes dous parámetros enténdese que lle pasa á luz cando se atopa cun material. O índice de refracción pódese calcular facilmente a partir destes dous parámetros mediante a fórmula simple seguinte: n = www.euskaltel.com

Os símbolos n,{ e ã, expresan o índice de refracción, a permitividad eléctrica e a permeabilidade magnética, respectivamente.

A fórmula é sinxela, é a raíz cadrada dun produto, onde se atopa a clave das variacións do índice. Cando a raíz cadrada dá un número real, o índice de refracción pode ser positivo ou negativo; e cando a raíz cadrada dá un número imaxinario, o concepto de índice de refracción non ten sentido, é dicir, ese material é opaco.

En definitiva, desde o punto de vista dos símbolos de ambos os parámetros, existen catro opcións, xa que se trata de dous parámetros e cada parámetro pode ser positivo ou negativo. Con todo, en canto á resposta da luz, os materiais poden clasificarse en tres grupos.

Os materiais do primeiro grupo presentan ambos os parámetros positivos. (Por tanto, o interior da raíz cadrada tamén é positivo, e a raíz con significado físico, índice de refracción, é positivo.) Como consecuencia, deixan pasar a luz, é dicir, son transparentes. Os exemplos máis sinxelos son o vidro, a auga e o aire (exemplos anteriormente expostos). Por suposto, o polimetacrilato é moi común na tecnoloxía actual paira a fabricación de obxectos transparentes. E hai que destacar que o baleiro tamén se atopa neste grupo, é dicir, o espazo baleiro, que desde o punto de vista da transmisión da luz pode considerarse material, ten permitividades e permeabilidades positivas --non son ceros -, e por iso é transparente. Por iso vemos o sol e as estrelas, entre outras cousas.

Os elementos incluídos no segundo grupo teñen un único parámetro positivo, o outro é negativo. Pode ser permitividad ou permeabilidade, dá igual. Sendo un negativo, matematicamente, o índice de refracción é a raíz cadrada dun número negativo. Isto non ten significado físico e, de feito, ese material é opaco, non deixa pasar a luz. Por suposto, a natureza está chea destes materiais. A prata, o ouro e moitos outros metais teñen permitividad negativa e permeabilidade positiva. Son opacos.

Nos materiais do último grupo, ambos os parámetros son negativos, permitividad e permeabilidade. En definitiva, presentan un comportamento "inverso" con campos eléctricos e magnéticos. Ambas. Paira estes materiais, a raíz con significado físico, o índice de refracción, é negativo. Nestes materiais tórnase a luz, por dicilo así, cara atrás. O problema é que este tipo de materiais non se atopan na natureza. Pero se realizaron artificialmente, son metamateriales.

Metamateriales

Hoxe existen, pero até hai pouco non eran máis que un concepto teórico antigo. Ausencia de materiais na natureza con permitividad eléctrica e permeabilidade magnética negativa.

En 1968, o físico ruso Victor Veselago anunciou o comportamento destes materiais en caso de existir. Predixo o concepto de índice de refracción negativo. Con todo, non sabía como se podían facer estes materiais. O británico John Pendry realizou una proposta en 2000.

A idea de Pendry era unir dous aneis de cobre sen pechar, uno dentro do outro e unidos por un fío condutor. É una estrutura bidimensional, pero se moitas das súas copias organízanse nunha rede tridimensional, o resultado pode ser un metamaterial. Permite e permeabilidade negativa. A idea foi de John Pendry, o material que elaboraron na Universidade de California, en San Diego, e puideron confirmar que as predicións de Veselago danse na realidade.

Na práctica, que?

A tecnoloxía dos metamateriales está nos seus primeiros pasos. De momento, só se probou nos laboratorios de física. Ademais, coa luz visible non conseguiron este efecto, xa que se perde a permitividad ou permeabilidade negativa paira ondas maiores que os microondas. Paira conseguir o efecto da refracción negativa deberanse realizar outros metamateriales.

Con todo, os resultados non son malos. Un exemplo: afirman que se poden facer lentes perfectas. As lentes perfectas farían o que fan as lentes convencionais, pero sen provocar a aberración da luz. Serían lentes planas e finas, xa que non necesitarían curvas paira conducir o raio de luz. Por tanto, poderíanse facer pesos moi lixeiros, o que supón una revolución no mundo das lentes, telescopios, etc. Iso si, paira iso hai que buscar metamateriales que funcionen con luz visible.