Metamateriales: característiques sorprenents i interès

2009/10/01 Ederra, Iñigo - Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa DepartamentuaNafarroako Unibertsitate Publikoa Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Elektronika
• Materialak
• Fisika

(Foto: David R. Universitat Smith/Duke)

La recerca dels metamateriales va començar amb treballs realitzats per Yablonovich i uns altres. Ells van observar estructures tridimensionals periòdiques que impedien la propagació d'ones de determinades freqüències. Posteriorment, Pendry i Smith van demostrar experimentalment el comportament d'entorns amb índexs negatius, anunciat per Veselago en 1968, i des de llavors el tema ha cobrat una gran rellevància. S'ha convertit en un dels camps de recerca més intensos en el camp de l'electromagnetisme aplicat, l'òptica i la teoria de la matèria condensada.

Els entorns amb índex negatiu, també denominats “entorns esquerres”, presenten una de les característiques més cridaneres entre els metamateriales: la refracció negativa. Per a aconseguir-ho, és necessari que el metamaterial present un índex de refracció negatiu, per al que el material ha de tenir simultàniament dues característiques negatives: la permitividad dielèctrica ( ) --mesura de la polarització que sofreix el material enfront d'un camp elèctric - i la permeabilitat magnètica ( ) --mesura de la magnetització que sofreix el material enfront d'un camp magnètic -. Per a la primera prova experimental, Pendry i Smith van utilitzar un mitjà format per anells i filaments metàl·lics que permetien obtenir el fenomen esmentat.

Superlentes

De les possibles aplicacions dels metamateriales, l'anomenada superlente és la que més interès està generant. Això es deu al fet que permet obtenir una resolució superior al límit de difracció de la lent.

En una lent normal la resolució està limitada per la longitud d'ona, els detalls menors que la longitud d'ona es perden, no són visibles. Aquests detalls depenen de les zones evanescents, l'amplitud de les quals disminueix dràsticament a mesura que s'allunya de la font de la zona. Per tant, perdem la informació que porten els camps. En les superlentes, per contra, l'amplitud de les zones evanescents augmenta amb la distància i és possible recuperar els detalls. Podem conèixer els valors inicials del camp i per tant recuperar els detalls de la imatge.

Si es pogués construir aquest tipus de superlentes, tindria moltes aplicacions en litografia, emmagatzematge òptic, espectroscopía de zona pròxima i en el camp de les imatges mèdiques. No obstant això, els experiments realitzats fins al moment han demostrat que les pèrdues inevitables degraden el comportament de les lents i els resultats no han estat tan espectaculars com s'anunciava.

L'aplicació estrella dels metamateriales, o almenys la que està tenint major ressò mediàtic, és la possibilitat d'ocultar objectes i fer-los invisibles. Per a això es proposa agrupar l'objecte amb un metamaterial no homogeni les característiques del qual de permitividad i permeabilitat impedirien que es reflectís en ell una ona electromagnètica, que a més es reconstruiria a l'altre costat de l'objecte. En conseqüència, l'objecte seria invisible. El seu ús en radars, al marge d'altres bandes de freqüències, és el més prometedor. No obstant això, en els sistemes presentats fins al moment, la invisibilitat està limitada a unes poques freqüències i a una polarització determinada, la qual cosa redueix la seva utilitat en la pràctica.

Les més avançades en ones de ràdio

És probable que les aplicacions de radioondas hagin aconseguit el nivell de maduresa més alt. XX. La recerca teòrica i experimental d'aquestes longituds d'ona s'ha recollit en la literatura científica des de principis del segle XX en el camp dels mitjans periòdics i artificials. No obstant això, la utilització pràctica de metamateriales i les seves idees fonamentades han permès desenvolupar noves estratègies de disseny de components, reduir la grandària, augmentar les funcionalitats i millorar les característiques d'antenes i circuits microones.

Concretament en el camp de les antenes, els metamateriales s'estan utilitzant principalment per a millorar les seves característiques i reduir la seva grandària. De fet, l'ús de substrats i superstrats fabricats amb metamateriales permet reduir els acoblaments entre antenes i millorar el comportament de cada antena quan formen part del conjunt d'antenes. Així mateix, els superestratégicos basats en materials a l'esquerra permeten obtenir un efecte equivalent a una lent i augmentar el guany de l'antena. Quant a la miniaturització de les antenes, es poden crear entorns eficients d'alta constant dielèctrica a una grandària molt de menor.

Aquests avanços generen un gran optimisme, però cal dir que les recerques encara es troben en la fase inicial de proves del propi concepte. I la comunitat científica continua tenint grans reptes per a superar aquesta situació i generar metamateriales que puguin ser utilitzats en sistemes reals. En qualsevol cas, a pesar que aquests materials no es materialitzessin, la recerca realitzada en aquesta matèria ha suposat ja un canvi en l'enfocament de l'observació de determinats fenòmens que resultarà de gran utilitat en posteriors avanços.