Metamateriales: características sorprendentes e interés
Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa Departamentua
Nafarroako Unibertsitate Publikoa
La investigación de los metamateriales comenzó con trabajos realizados por Yablonovich y otros. Ellos observaron estructuras tridimensionales periódicas que impedían la propagación de ondas de determinadas frecuencias. Posteriormente, Pendry y Smith demostraron experimentalmente el comportamiento de entornos con índices negativos, anunciado por Veselago en 1968, y desde entonces el tema ha cobrado una gran relevancia. Se ha convertido en uno de los campos de investigación más intensos en el campo del electromagnetismo aplicado, la óptica y la teoría de la materia condensada.
Los entornos con índice negativo, también denominados “entornos izquierdos”, presentan una de las características más llamativas entre los metamateriales: la refracción negativa. Para lograrlo, es necesario que el metamaterial presente un índice de refracción negativo, para lo que el material debe tener simultáneamente dos características negativas: la permitividad dieléctrica ( ) --medida de la polarización que sufre el material frente a un campo eléctrico - y la permeabilidad magnética ( ) --medida de la magnetización que sufre el material frente a un campo magnético -. Para la primera prueba experimental, Pendry y Smith utilizaron un medio formado por anillos y filamentos metálicos que permitían obtener el fenómeno mencionado.
Superlentes
De las posibles aplicaciones de los metamateriales, la llamada superlente es la que más interés está generando. Esto se debe a que permite obtener una resolución superior al límite de difracción de la lente.
En una lente normal la resolución está limitada por la longitud de onda, los detalles menores que la longitud de onda se pierden, no son visibles. Estos detalles dependen de las zonas evanescentes, cuya amplitud disminuye drásticamente a medida que se aleja de la fuente de la zona. Por tanto, perdemos la información que llevan los campos. En las superlentes, por el contrario, la amplitud de las zonas evanescentes aumenta con la distancia y es posible recuperar los detalles. Podemos conocer los valores iniciales del campo y por tanto recuperar los detalles de la imagen.
Si se pudiese construir este tipo de superlentes, tendría muchas aplicaciones en litografía, almacenamiento óptico, espectroscopía de zona cercana y en el campo de las imágenes médicas. Sin embargo, los experimentos realizados hasta el momento han demostrado que las pérdidas inevitables degradan el comportamiento de las lentes y los resultados no han sido tan espectaculares como se anunciaba.
La aplicación estrella de los metamateriales, o al menos la que está teniendo mayor eco mediático, es la posibilidad de ocultar objetos y hacerlos invisibles. Para ello se propone agrupar el objeto con un metamaterial no homogéneo cuyas características de permitividad y permeabilidad impedirían que se reflejase en él una onda electromagnética, que además se reconstruiría al otro lado del objeto. En consecuencia, el objeto sería invisible. Su uso en radares, al margen de otras bandas de frecuencias, es el más prometedor. Sin embargo, en los sistemas presentados hasta el momento, la invisibilidad está limitada a unas pocas frecuencias y a una polarización determinada, lo que reduce su utilidad en la práctica.
Las más avanzadas en ondas de radio
Es probable que las aplicaciones de radioondas hayan alcanzado el nivel de madurez más alto. XX. La investigación teórica y experimental de estas longitudes de onda se ha recogido en la literatura científica desde principios del siglo XX en el campo de los medios periódicos y artificiales. Sin embargo, la utilización práctica de metamateriales y sus ideas fundamentadas han permitido desarrollar nuevas estrategias de diseño de componentes, reducir el tamaño, aumentar las funcionalidades y mejorar las características de antenas y circuitos microondas.
Concretamente en el campo de las antenas, los metamateriales se están utilizando principalmente para mejorar sus características y reducir su tamaño. De hecho, el uso de sustratos y superestratos fabricados con metamateriales permite reducir los acoplamientos entre antenas y mejorar el comportamiento de cada antena cuando forman parte del conjunto de antenas. Asimismo, los superestratégicos basados en materiales a la izquierda permiten obtener un efecto equivalente a una lente y aumentar la ganancia de la antena. En cuanto a la miniaturización de las antenas, se pueden crear entornos eficientes de alta constante dieléctrica a un tamaño mucho menor.
Estos avances generan un gran optimismo, pero hay que decir que las investigaciones todavía se encuentran en la fase inicial de pruebas del propio concepto. Y la comunidad científica sigue teniendo grandes retos para superar esta situación y generar metamateriales que puedan ser utilizados en sistemas reales. En cualquier caso, a pesar de que estos materiales no se materializaran, la investigación realizada en esta materia ha supuesto ya un cambio en el enfoque de la observación de determinados fenómenos que resultará de gran utilidad en posteriores avances.
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