Metamateriales: características sorprendentes e interese

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

• Elektronika
• Materialak
• Fisika

(Foto: David R. Universidade Smith/Duke)

A investigación dos metamateriales comezou con traballos realizados por Yablonovich e outros. Eles observaron estruturas tridimensionales periódicas que impedían a propagación de ondas de determinadas frecuencias. Posteriormente, Pendry e Smith demostraron experimentalmente o comportamento de contornas con índices negativos, anunciado por Veselago en 1968, e desde entón o tema cobrou una gran relevancia. Converteuse nun dos campos de investigación máis intensos no campo do electromagnetismo aplicado, a óptica e a teoría da materia condensada.

As contornas con índice negativo, tamén denominados “contornas esquerdas”, presentan una das características máis rechamantes entre os metamateriales: a refracción negativa. Paira logralo, é necesario que o metamaterial presente un índice de refracción negativo, paira o que o material debe ter simultaneamente dúas características negativas: a permitividad dieléctrica ( ) --medida da polarización que sofre o material fronte a un campo eléctrico - e a permeabilidade magnética ( ) --medida da magnetización que sofre o material fronte a un campo magnético -. Paira a primeira proba experimental, Pendry e Smith utilizaron un medio formado por aneis e filamentos metálicos que permitían obter o fenómeno mencionado.

Superlentes

Das posibles aplicacións dos metamateriales, a chamada superlente é a que máis interese está a xerar. Isto débese a que permite obter una resolución superior ao límite de difracción da lente.

Nunha lente normal a resolución está limitada pola lonxitude de onda, os detalles menores que a lonxitude de onda pérdense, non son visibles. Estes detalles dependen das zonas evanescentes, cuxa amplitude diminúe drasticamente a medida que se afasta da fonte da zona. Por tanto, perdemos a información que levan os campos. Nas superlentes, pola contra, a amplitude das zonas evanescentes aumenta coa distancia e é posible recuperar os detalles. Podemos coñecer os valores iniciais do campo e por tanto recuperar os detalles da imaxe.

Se se puidese construír este tipo de superlentes, tería moitas aplicacións en litografía, almacenamento óptico, espectroscopía de zona próxima e no campo das imaxes médicas. Con todo, os experimentos realizados até o momento demostraron que as perdas inevitables degradan o comportamento das lentes e os resultados non foron tan espectaculares como se anunciaba.

A aplicación estrela dos metamateriales, ou polo menos a que está a ter maior eco mediático, é a posibilidade de ocultar obxectos e facelos invisibles. Paira iso proponse agrupar o obxecto cun metamaterial non homoxéneo cuxas características de permitividad e permeabilidade impedirían que se reflectise nel una onda electromagnética, que ademais se reconstruiría alén do obxecto. En consecuencia, o obxecto sería invisible. O seu uso en radares, á marxe doutras bandas de frecuencias, é o máis prometedor. Con todo, nos sistemas presentados até o momento, a invisibilidad está limitada a unhas poucas frecuencias e a unha polarización determinada, o que reduce a súa utilidade na práctica.

As máis avanzadas en ondas de radio

É probable que as aplicacións de radioondas alcancen o nivel de madurez máis alto. XX. A investigación teórica e experimental destas lonxitudes de onda recolleuse na literatura científica desde principios do século XX no campo dos medios periódicos e artificiais. Con todo, a utilización práctica de metamateriales e as súas ideas fundamentadas han permitido desenvolver novas estratexias de deseño de compoñentes, reducir o tamaño, aumentar as funcionalidades e mellorar as características de antenas e circuítos microondas.

Concretamente no campo das antenas, os metamateriales están a utilizarse principalmente paira mellorar as súas características e reducir o seu tamaño. De feito, o uso de substratos e superestratos fabricados con metamateriales permite reducir os axustes entre antenas e mellorar o comportamento de cada antena cando forman parte do conxunto de antenas. Así mesmo, os superestratégicos baseados en materiais á esquerda permiten obter un efecto equivalente a unha lente e aumentar a ganancia da antena. En canto á miniaturización das antenas, pódense crear contornas eficientes de alta constante dieléctrica a un tamaño moito menor.

Estes avances xeran un gran optimismo, pero hai que dicir que as investigacións aínda se atopan na fase inicial de probas do propio concepto. E a comunidade científica segue tendo grandes retos paira superar esta situación e xerar metamateriales que poidan ser utilizados en sistemas reais. En calquera caso, a pesar de que estes materiais non se materializasen, a investigación realizada nesta materia supuxo xa un cambio no enfoque da observación de determinados fenómenos que resultará de gran utilidade en posteriores avances.