Metamateriales, materiales del futuro desarrollados en el campo de la Óptica

Resumen

En este artículo se realiza una forma breve de
conocer los materiales denominados METAMATERIALES los cuales se
usan en la práctica mediante el empleo de diversa
estructuras que son periódicas y que a la vez realizan una
combinación de los medios físicos como son
Permitividad Eléctrica y Permeabilidad Magnética
pero en este caso invirtiendo la muy conocida Ley de Snell, ahora
el Índice de Refracción será negativo y esta
propiedad convierte su comportamiento de manera totalmente
inusual. Estos materiales han sido tema de investigación
para muchos científicos en diferentes sectores, tales como
la Óptica, la Nano tecnología y en muy
especialmente en las Telecomunicaciones fundamentalmente en la
fabricación de diversas antenas, podemos agregar que
existe una posibilidad de controlar las diferentes propiedades
electromagnéticas de dichas estructuras y las amplias
reducciones de dimensiones en cuanto a la longitud de onda, por
ello todo lo expresado anteriormente que los METAMATERIALES son
capaces de poder combinar un diferentes nivel de
compactación con unas elevadas prestaciones en
términos de ancho de banda y eficiencia.

Palabras Claves: METAMATERIALES, Permitividad
Eléctrica, Permeabilidad Magnética, Ley de Snell,
Óptica, Nano tecnología.

Introducción

Diferentes fueron los científicos que realizaron
estudios y aportes a la óptica y un problema fundamental
era la propagación de la luz donde los diferentes
fenómenos denominados Difracción e Interferencia no
son muy importantes. Hoy en día es importante poder
resolver los diferentes problemas que día a día se
impone por el creciente desarrollo de la tecnología, se
nos impone ya grandes desafíos en este campo y el hombre
trata por ello de ir explorando más y más el
conocimiento y descubriendo todo el universo de su conocimiento y
además ir haciéndola lo más ventajosa y
económica posible.

En el año 1967, le surge la idea a una serie de
físicos acerca de algo denominado como metamateriales, el
cual se encarga de que prever algo similar a la ya conocida Ley
de Snell pero con el índice de refracción negativo,
en otras palabras se produce una inversión de dicha ley,
sin dejar de mencionar la velocidad de fase y de grupo
antiparalelas son algunas de las características que
distinguen a este tipo de materiales.

Ya para la década de los 90 aparecen las primeras
propuestas para llevar a la práctica dichos materiales
donde se utilizan estructuras periódicas, que combinan
medios con Permitividad Eléctrica y Permeabilidad
Magnética lo que en este caso son negativas. Por ello
planteamos que hoy existe la posibilidad de controlar las
propiedades electromagnéticas de estas estructuras y esto
a su vez abre un amplio horizonte de investigación para el
Electromagnetismo Avanzado. Las reducidas dimensiones de estas
estructuras, en términos de longitud de onda y sus
propiedades electromagnéticas, las hacen atractivas para
el diseño de dispositivos que combinen un gran nivel de
compactación y elevadas prestaciones en cuanto a ancho de
banda y eficiencia.

Podemos definir las aplicaciones de los metamateriales
no se limitan solo al campo de las telecomunicaciones, de hecho
ya se investigan sus posibles usos en diversas ramas de la
Física, como por ejemplo la fabricación de lentes
para la obtención de imágenes ópticas de
alta resolución y el desarrollo de nanocircuitos para
altas velocidades, son entre otras algunos ejemplos de estas
aplicaciones. En el campo de las Telecomunicaciones los
metamateriales, o materiales zurdos como también se les
conoce, están teniendo un gran impacto. Sin embargo, es un
campo aún en estudio y del cual todavía no se han
explotado todas las potencialidades.

Propiedades
eléctricas de los materiales

Todos los materiales pueden ser ampliamente definidos
por características eléctricas tales como la
susceptibilidad, la permitividad eléctrica, la
permeabilidad magnética, entre otros. Todos estos
parámetros brindan información sobre el
comportamiento del material bajo determinadas
condiciones.

Debido a quey son los únicos parámetros
electromagnéticos que aparecen en la relación de
dispersión, estos van a determinar las
características de la propagación en dicho
material. Si se traza un eje de coordenadas con estos dos
parámetros es posible ubicar cualquier material presente
en la naturaleza en alguno de los cuadrantes formados, atendiendo
a cómo se comportará ante una onda
electromagnética. En la figura 1 se puede apreciar una
representación de dicha clasificación.

En la figura anterior se puede observar que en el primer
cuadrante se encuentran los materiales conocidos como medios
diestros o Right-Handed Materials (Dieléctricos
isotrópicos, etc.) y a través de estos es posible
la propagación de ondas
electromagnéticas,

Introducción a los
metamateriales

En el año 196 un físico llamado
Víctor Veselago, publica un artículo titulado
"Electrodinámica de sustancias con permeabilidades
magnéticas y eléctricas simultáneamente
negativas" y su estudio proponía un análisis
bastante poco inusual para el momento e igual de inusuales
serían los resultados a los que llegaría. Primero
planteaba que de acuerdo a las ecuaciones de Maxwell sería
posible la propagación de una onda en un medio
hipotético con valores de

simultáneamente negativos, planteando
además las singulares propiedades electromagnéticas
de estos medios, así como el índice de
refracción negativo, el efecto Doppler inverso, la
inversión de la radiación de
Vavilov–Cherenkov y el antiparalelismo presente entre la
velocidad de grupo y la velocidad de fase serían algunas
de las características más distintivas de estos
medios. [3]

Sin embargo, como ya se ha dicho en la naturaleza no se
pueden encontrar medios que presenten estas
características, pero no fue hasta el año 2000 en
el que se obtiene el primer metamaterial. La idea
consistía en utilizar dos medios que tuviesen de manera
independiente permitividad eléctrica y permeabilidad
magnética negativas, de modo que la combinación de
ambos diera lugar a un medio que desde el punto de vista de la
onda incidente se comportase como un medio con valores
de

efectivos negativos, donde el resultado de las
mediciones mostraba la aparición de una banda de paso
donde antes existía rechazo. [4]

Con lo expuesto se puede pensar que una
definición de metamaterial pudiera ser la de un material
artificial con propiedades electromagnéticas inusuales,
que no se dan en medios naturales conocidos y cuyas
características proceden de la estructura diseñada
y difieren de las de sus componentes y que generalmente se trate
de estructuras periódicas con dimensiones menores que la
longitud de onda incidente, de modo que la estructura
diseñada se comporte como un medio efectivo y pueda ser
modelada por parámetros globales de permitividad,
permeabilidad, índice de refracción, etc. [5] Pero
en un metamaterial, la interacción de la radiación
electromagnética sobre el medio no estará
determinada por las características microscópicas
de los elementos constituyentes, sino por la organización
y la estructura de los elementos que conforman al material y un
medio efectivo puede estar formado por una distribución de
unidades de resonadores periódicos (Denominadas celdas) y
cuyo tamaño es menor que la longitud de onda, por lo que a
la frecuencia de resonancia todas las celdas se comportan como un
medio homogéneo, pues la radiación incidente no
detecta la estructura interna del medio [2] y por tanto, para la
obtención de un metamaterial, era necesario lograr dos
medios que tuviesen

respectivamente.

A. Medio con Permitividad Eléctrica
Negativa.

La Permitividad Eléctrica Negativa era lograda
por un arreglo fino de alambres metálicos alineados a lo
largo de la dirección de propagación de la onda. Si
la geometría y la orientación del arreglo era la
adecuada, el comportamiento de este podía verse como la
resonancia plasma en un metal y este arreglo presenta un
comportamiento paso alto equivalente a un medio con permitividad
negativa.

Figura 2. Arreglo de alambres finos para
lograr un medio con permitividad negativa. [6]

En el caso de un metal, la respuesta en frecuencia a un
campo electromagnético está dada por la resonancia
plasma del gas de electrones, y se tiene que:

Permitividad Eléctrica Negativa.

B. Medios con Permeabilidad
Magnética Negativa, SRR.

Podemos decir que implica un grandioso reto el poder
obtener un medio con Permeabilidad Magnética Negativa y en
el año 1999 un científico llamado Pendry
describía el comportamiento de los SRRs (Split Ring
Resonators), los cuales consistían en dos anillos de metal
concéntricos con pequeñas aberturas en posiciones
opuestas.

Los SRRs lograban por primera vez, obtener valores
efectivos de Permeabilidad Magnética Negativa. Por ello
cuando se aplica un campo magnético variable axial a la
estructura, la FEM inducida genera una corriente en los anillos
(Aunque la estructura también puede ser excitada mediante
un campo eléctrico variable a lo largo del eje Y ver
figura abajo), debido a la cercanía entre los anillos hay
una capacitancia distribuida entre ellos y el circuito queda
cerrado. Los conductores introducen un comportamiento inductivo,
que junto con la capacidad distribuida entre los anillos
producirá un comportamiento resonante similar a un
circuito LC. [8]

Figura 4. Split Ring Resonator y su
circuito equivalente. [9]

En un arreglo periódico de SRRs, el
carácter resonante de estos provocará que se inhiba
la propagación de la señal en un determinado rango
de frecuencias. Este efecto es resultado de que la estructura
presenta valores negativos de permeabilidad magnética
efectiva, al menos en una estrecha banda de frecuencias. De hecho
el valor deserá una función de la frecuencia
que vendrá dada por:

Figura 6. LHM obtenido mediante la
combinación de un arreglo de alambres finos y uno de Split
Ring Resonators. [7]

Figura 7. Algunos de los primeros medios
zurdos obtenidos mediante la combinación de postes
metálicos y SRR. [2]

Cristales
electromagnéticos

Los cristales fotónicos son un arreglo
periódico de átomos o moléculas. La
geometría de los cristales va a definir muchas de sus
propiedades conductivas, el período es comparable con la
longitud de onda que se propaga en el medio por lo que se
producirán fenómenos de interferencia, que dan
lugar a la inhibición de la transmisión de la
señal para determinadas bandas de frecuencias y en
determinadas direcciones.

El equivalente electromagnético de los cristales
fotónicos son los cristales electromagnéticos
(Electromagnetic Band Gaps, EBG), en los cuales la periodicidad
se produce mediante la variación de parámetros
macroscópicos. Las primeras ideas sobre los EBG, datan de
finales de los años 80 [13]-[14] y sugerían la
creación de estructuras con variaciones periódicas
de la permitvidad, lo que implica también una
variación periódica del Índice de
Refracción, por ello la similitud con la estructura
ordenada de los átomos de un semiconductor, podría
dar lugar a la aparición de bandas de frecuencias
prohibidas en determinadas direcciones, tal y como sucede con las
bandas prohibidas en los semiconductores. Así, los
Cristales Electromagnéticos pueden ser estructuras
unidimensionales, bidimensionales o tridimensionales que
presentan una banda de frecuencia de rechazo y la frecuencia
central, así como el ancho de esta banda pueden ser
modificados variando los parámetros de
diseño.

Figura 12. Estructura de un cristal
electromagnético: a) unidimensional, b) bidimensional, c)
tridimensional. Estos tienen la capacidad de inhibir la
propagación en determinadas bandas de frecuencias y
direcciones. [15]

En la figura 13 se muestra la banda de rechazo a lo
largo del eje de periodicidad de un cristal fotónico
unidimensional y como se aprecia con la variación del
ángulo de incidencia (?), ocurre un corrimiento
de la frecuencia central de la banda de rechazo y se degradan las
características de reflexión. En el caso de
cristales bidimensionales, la frecuencia central y las
características de reflexión se mantienen
invariables siempre que el ángulo de incidencia no
varíe en el plano de periodicidad. Para cristales
tridimensionales, por otra parte, la banda de rechazo puede
mantener sus características para todos los ángulos
de propagación.

Figura 13. Comportamiento de la banda de
rechazo para distintos ángulos en: a) cristales
fotónicos unidimensionales y b) cristales fotónicos
tridimensionales. [16]

El comportamiento de un Cristal Electromagnético
unidimensional puede ser fácilmente analizado
considerándolo como un dieléctrico multicapa, con
valores alternados de índice de refracción y
espesores de un cuarto de longitud de onda. Así, para
determinadas frecuencias, todas las ondas reflejadas interfieren
constructivamente en la entrada. Este comportamiento se basa en
el efecto de reflexión Bragg, según el cual la
radiación reflejada en cada celda se suma en fase,
conformando un frente de onda. El principio de Bragg implica que,
para un ángulo de incidencia de 90o, la onda será
reflejada si los planos del cristal se encuentran a una distancia
de media longitud de onda. En general, para cualquier
ángulo de incidencia, la diferencia de las distancias
recorridas por dos reflexiones, entre dos planos consecutivos,
debe ser múltiplo de la longitud de onda. [15]

Las características de los cristales
electromagnéticos han propiciado que estos hayan sido
aplicados en tecnología de microondas, para obtener altos
niveles de rechazo de frecuencias y frecuencias de cortes bien
definidas. [17]-[18]

Figura 14. Vista del plano tierra
(izquierda) y del plano superior (derecha), de un modelo compacto
de utilización de Photonic Band Gaps en tecnología
de microcinta. [17]

Los cristales electromagnéticos han
sido implementados en tecnología de microcinta
también mediante el grabado de círculos en el plano
de tierra, siguiendo un patrón periódico
bidimensional. En la siguiente figura se muestra una estructura
donde solo se han necesitado tres filas de círculos para
implementar un patrón bidimensional, aunque se ha
demostrado que empleando únicamente la fila central de
círculos se pueden obtener un desempeño similar.
[19]

Figura 15. Estructura de Cristales
Electromagnéticos en microcinta, a) vista superior e
inferior de una estructura de tres líneas, b) prototipo
2-D y variante 1-D. [15]

Propiedades
electromagnéticas de los metamateriales

Las celdas que componen un medio efectivo tienen
dimensiones muchos menores que la longitud de la onda de modo que
esta lo perciben como un medio homogéneo en cuanto a sus
propiedades electromagnéticas. Por tanto, para estos
medios se pueden definir parámetros
electromagnéticos efectivos.

La ecuación de dispersión relaciona la
frecuencia y el vector de onda k mediante:

Lo que significa que este tipo de materiales
presentará un índice de refracción negativo,
esto implica que un rayo que atraviese un medio zurdo
tendrá un ángulo de refracción negativo, es
decir, que la componente tangente a la superficie del rayo
refractado invierte su dirección de
propagación.

La presencia de un Índice de Refracción
negativo ha sido demostrada en el rango de las frecuencias
visibles en los cristales fotónicos, así como otros
inusuales fenómenos asociados al índice de
refracción negativos. [20]

Figura 16. Representación de la
refracción en un medio convencional y en un medio con un
índice de refracción negativo. [20]

En [21] se parte de un análisis de las
distribuciones de corrientes en un medio zurdo para demostrar que
existe una región de frecuencias donde n presenta
signo negativo. El Índice de Refracción negativo en
los METAMATERIALES implica pues que se invierta la Ley de
Snell y esta plantea que:

Figura 17. Representación
gráfica de la Ley de Snell para: a) interfaz entre medios
convencionales, b) interfaz entre un medio convencional y uno
zurdo, debido al valor de n negativo, el rayo se curva
en un ángulo negativo. [6]

La inversión de dicha ley en estos materiales
hace posible la realización de lentes planas en las que,
debido a que la componente tangente a la superficie del rayo
refractado invierte su dirección, no es necesario que la
lente tenga curvatura alguna. De igual manera ocurre un
intercambio de efectos de convergencia y divergencia en lentes
cóncavas y convexas fabricadas con medios zurdos.
[22]

Fig. 1.18. Formación de una imagen
en una lente plana LHM. [15]

Teóricamente, un medio con permitividad y
permeabilidad negativa es capaz de focalizar una fuente con una
resolución menor que la longitud de onda, esto es
resultado de la amplificación de los modos evanescentes.
Si se coloca una capa de LHM en la interfaz entre dos medios
convencionales (Figura 19), se tendrá que debido a la
presencia de un índice de refracción negativo, los
rayos se curvarán en un ángulo negativo en las
interfaces y
respectivamente. Si
el entonces dado
que, no
habrá reflexión y todos los rayos pasará a
través del y
finalmente la focalización será posible en el
de la derecha
debido a que la capa depuede amplificar ondas evanescentes, este tipo
de lente tendrá un poder resolutivo sublanda, siendo mucho
mayor que el de las lentes convencionales, cuya resolución
está limitada por la longitud de onda.
[23]-[24]

Figura 19. Refracción de una onda
que atraviesa un lente LHM. [23]

Figura 20. Relación del vector de
onda y el vector de Poynting en a) un medio diestro y b) un medio
zurdo. [2]

La velocidad de fase negativa trae como consecuencia la
inversión del Efecto Doppler. En un medio diestro, el
Efecto Doppler consiste en la variación de la longitud de
onda de las ondas emitidas por una fuente en movimiento, este
describe como en el caso de ondas sonoras el tono de un sonido es
más agudo cuando la fuente se acerca al observador que
cuando esta se aleja y en el caso de las ondas
electromagnéticas comprendidas en el espectro de la luz
visible, el efecto también se puede apreciar y es de hecho
muy empleado en investigaciones espaciales.

Si el objeto radiante se aleja, la luz se desplaza hacia
longitudes de ondas más largas, hacia el rojo. Si por el
contrario el objeto se acerca, la longitud de onda se hará
cada vez menor y por tanto la luz se irá tornando
azul.

En un medio zurdo este efecto quedaría invertido,
de modo que la longitud de onda aumentará en lugar de
disminuir al acercarse la fuente. [6]

Figura 21. Inversión del Efecto de
Doppler. [6]

Otra consecuencia directa del antiparalelismo de la
velocidad de fase y la de grupo, es la inversión del
efecto Vavilov-Cherenkov. Dando lugar a un cono de
radiación que será totalmente opuesto al movimiento
de una partícula cargada. [7]

Figura 22. Radiación de una
partícula en un medio diestro y en un medio zurdo.
[7]

Otro curioso fenómeno que ocurre en los
metamateriales es el que se da en la inversión de las
condiciones de contorno. Esta inversión se refiere a las
componentes normales de los campos magnéticos y
eléctricos en el área de contacto entre un medio
zurdo y uno diestro.

Figura 23. Inversión de las
condiciones de contorno en la interfaz entre un medio diestro y
uno zurdo. [25]

Importancia de
los metamateriales

Luego de la primera verificación experimental de
los materiales LH, la investigación sobre
METAMATERIALES ha crecido exponencialmente. Los
laboratorios de investigación de universidades e
industrias tienen grupos dedicados al análisis,
caracterización y aplicación de materiales LH.
[4]

En particular, los materiales LH hacen posible realizar
novedosos dispositivos de microondas como antenas de ondas de
fuga en el modo dominante, lentes con Índice de
Refracción Negativos, antenas resonadoras pequeñas
y componentes de dos bandas que no eran posibles obtener antes.
La importancia de los METAMATERIALES LH en la
ingeniería y comunidad científica ha provocado
formaciones de conferencias dedicadas solamente a la
investigación de los metamateriales y publicaciones de
muchos libros. [4]

Aplicaciones de
los metamateriales

Para aplicaciones Ópticas, el tamaño de
las partes que forman el metamaterial varía desde
nanómetros hasta un micrón, mientras que para
aplicaciones en comunicaciones se necesitan tamaños de
micrones a milímetros, los metamateriales hoy en
día tienen innumerables aplicaciones tanto en la rama
Óptica como en la rama de las comunicaciones. En esta
sección citaremos algunas de ellas que en capítulos
posteriores serán abordadas con un mayor grado de
detalles. [6]

• 1) Una de las aplicaciones
  más populares radica en la fabricación de
  lentes planos, en general, la forma de los lentes
  Ópticos es lo que define sus propiedades y para
  algunas aplicaciones específicas la forma del lente es
  complicada de fabricar. [6]

• 2) Se utilizan en la
  fabricación de antenas pequeñas de
  móviles o de satélites en los que se quieren
  agrupar un gran número de antenas en un espacio
  mínimo. [10]

• 3) Desarrollo de imágenes
  ópticas de altísima resolución y de
  nanocircuitos de computadoras muy veloces. [10]

• 4) El uso de los Cristales
  Electromagnéticos permite la eliminación de
  bandas espurias en filtros de microondas [10], en el campo de
  los circuitos de microondas es habitual confinar la
  señal mediante la utilización de líneas
  de transmisión que suponen un medio guiado para la
  radiación que viaja a través de ellas. En este
  caso la analogía con la constante dieléctrica
  de los medios ópticos la encontramos en la impedancia
  característica de la línea de
  transmisión, que no es más que la
  relación entre las amplitudes de las ondas de
  corriente y tensión que viajan por la línea. En
  este tipo de sistemas la perturbación periódica
  característica de los EBGs puede introducirse con la
  variación de esta impedancia característica a
  medida que la señal viaja por la línea de
  transmisión, o bien mediante la perturbación
  del plano de masa. De la teoría del acoplo de modos se
  puede extraer que si esta perturbación de impedancia
  característica es pequeña el espectro de
  frecuencias rechazadas está relacionado con la
  transformada de Fourier del perfil de impedancia. Ha sido
  demostrado que una perturbación periódica de la
  impedancia característica permite inhibir la
  propagación de la señal para aquella frecuencia
  que satisface la condición de Bragg. En el caso de una
  línea de transmisión unidimensional esta
  condición se traduce en que la longitud de onda de la
  señal para la frecuencia rechazada coincide con dos
  períodos de la perturbación. Estas
  técnicas han sido utilizadas con muy buenos resultados
  para la eliminación de espurios en filtros de
  microondas en tecnología planar. La utilización
  de perturbaciones sinusoidales de la impedancia
  característica ajustadas a frecuencias diferentes
  puede utilizarse para eliminar varias bandas espurias en un
  mismo filtro. [10]

• 5) Estos medios se pueden utilizar
  como substratos de antenas combinando celdas de diferentes
  tamaños para mejorar los principales parámetros
  de radiación, como puede ser la directividad, el
  diagrama de radiación, la radiación trasera y
  la eficiencia. [10]

• 6) Se utilizan en el diseño
  de líneas de transmisión, acopladores,
  defasadores y circuitos híbridos con dos bandas de
  funcionamiento. [10]

• 7) Una de las principales
  aplicaciones de los metamateriales es su empleo como antenas
  "leaky-wave" en un determinado rango frecuencial, donde
  proporcionan un barrido completo de haz (desde la
  dirección de disparo hacia atrás, backfire
  hasta la dirección de disparo axial, endfire,
  incluyendo por primera vez la dirección de disparo
  lateral, broadside). [10]

• 8) Se emplean en estructuras
  planas como son las antenas de microcinta. En este tipo de
  antenas estas estructuras pueden tener varias aplicaciones.
  Una de estas aplicaciones puede ser el diseño de
  antenas de microcinta multifrecuenciales (o sea trabajan con
  un número definido de frecuencias). Por otra parte,
  como se conoce las antenas de microcinta con parche
  rectangular son de banda estrecha y la polarización es
  vertical. A raíz de esto último se han
  construido utilizando METAMATERIALES antenas de
  microcinta con parche rectangular que no solo aumentan la
  banda de trabajo sino que también logran
  polarización horizontal. [10]

Reafirmando las ideas ya expuestas en esta
sección se pudiera decir que los metamateriales son
materiales compuestos con capacidades extraordinarias para curvar
las ondas electromagnéticas. Todos los materiales
naturales tienen un índice de refracción positivo
que provoca que cuando incida la luz sobre ellos esta se
desvíe y podamos ver los objetos tal y como son. Los
metamateriales no son materiales naturales, sino un compuesto que
como resultado final tiene propiedades no encontradas en
sustancias que se forman en la naturaleza, como por ejemplo el
poseer una permitividad dieléctrica y una permeabilidad
magnética negativa que provocan que el índice de
refracción también sea negativo, existen varios
tipos de metamateriales pero los más conocidos son los
LHM. [10]

Empleo de los
metamateriales para algunos campos de la
tecnología

A. METAMATERIALES SOLARES.

Un grupo de investigadores del Caltech han creado unos
materiales que podrían mejorar la eficiencia de las
células solares, en un avance que podría llevar a
cabo nuevas células solares que utilicen mejor la luz
solar, se han diseñado unos materiales con la capacidad de
doblar la luz visible en ángulos inusuales pero precisos,
es importante destacar que a los mismos no le importa su
polarización, lo cual nos lleva a pensar que los mismos
resultan ser un paso muy acelerado hacia el recubrimiento de
células solares, las ciuales sean totalmente transparentes
utilizando los rayos del sol para dirigirlos hacia su área
activa y esto para mejorará la producción de
energía solar.

El METAMATERIAL del Caltech es una
película de metal de varios cientos de nanómetros
de espesor, estas películas están grabadas con
varias cavidades circulares, cada una de las cuales rodea una
columna que podría parecer hecha de alambres del mismo
material. El espacio entre el cable y la pared de la cavidad se
rellena con un segundo metal, dependiendo de las dimensiones de
los patrones, este material curva o refracta la luz de diferentes
colores en mayor o menor grado. Atwater uno de los
científicos involucrados en esa investigación
afirma que el objetivo de su proyecto es hacer películas
con un Índice de Refracción exactamente igual a la
del aire, o sea, un material de este tipo no curvaría la
luz en absoluto sino que la transmitiría a la
perfección, sin reflexión. Cuando la luz se mueve
de un medio a otro se dispersa éste es el motivo por el
que una pajita en un vaso de agua parece estar roto, hay un
desfase entre el Índice de Refracción del agua y la
del aire, una célula solar cubierta con un material cuyo
Índice de Refracción fuera idéntico al del
aire no reflejaría nada de luz.

Las películas descubiertas por el grupo de
Atwater que están haciendo son conductores
metálicos y también podrían servir como el
electrodo superior de una célula solar. Atwater
señala que mientras que algunos diseños de
METAMATERIALES han resultado complejos de fabricar e
incluían una estructura de varias capas, estas
películas de una sola capa se pueden hacer usando
técnicas de litografía y grabado que son corrientes
en la industria de fabricación de chips.

Con respecto a las aplicaciones solares, Atwater afirma
que su objetivo es obtener una película de metamaterial
que deje pasar el 90 por ciento de la luz, por ello con este fin
su grupo y otros en el mismo campo están desarrollando
maneras de amplificar la luz al pasar a través de los
METAMATERIALES. Los Amplificadores Ópticos ya se
utilizan en láseres y en las telecomunicaciones;
incorporarlos junto a películas finas como la de Atwater
permitirá a los metamateriales encontrar su camino hacia
la aplicación práctica en dispositivos como las
células solares.

B. METAMATERIALES PARA SIMULAR
UNIVERSOS.

Según propone un científico llamado Igor
Smolyaninov de la Universidad de Maryland, el propone poder
emplear los METAMATERIALES para simular universos y poner
a prueba teorías cosmológicas, sin dejar de
mencionar que los METAMATERIALES son unos materiales que
tienen la propiedad de hacer que la luz se comporte de formas
extrañas y su aplicación mas conocida es la de
crear materiales con Índice de Refracción Negativo
lo que permite crear entre otras cosas la denominadas capas de
invisibilidad.

Hoy en día las propiedades de los
METAMATERIALES van mas allá de lo hasta ahora
descubierto y las matemáticas ciencia que se dedica a
estudiar describir las propiedades de estos materiales son muy
similares a las matemáticas que empleo Albert Einstein
para llevar a cabo su famosa ¨ Teoría General de la
Relatividad ¨, de lo que se puede desprender que los
METAMATERIALES pueden considerarse espacios relativistas
similares al espacio/tiempo e insteniano. Plantearemos que dada
esta similitud se puede utilizar en simular otros tipos de
universos pero inicialmente trataríamos de poder crear un
metamaterial que simule un efecto espacio/tiempo que posea un
número de dimensiones distinto al que tiene nuestro
universo, ahora si nos damos a la tarea de poder comprobar como
cambiarían las leyes de la física en este entorno
según el científico Igor plantearía que lo
mismo sería posible incluso simular un
"MULTIVERSO", entendiendo como tal un metamaterial en el
que diferentes áreas simulen diferentes tipos de espacios,
lo que permitiría experimentar como se alteraría la
luz al pasar de un universo a otro.

Los METAMATERIALES manipulan el espacio
electromagnético, lo cual significa que lo mismo que
actúan sobre los fotones deberían ser capaces de
actuar sobre los electrones; por ello plantearemos que si es
posible crear METAMATERIALES que alteren las propiedades
cuánticas de los fotones y también debería
ser posible hacer lo mismo con los electrones para que, por
ejemplo, crear pares de Cooper mas fuertes lo que
permitiría crear materiales superconductores a
temperaturas mas elevadas, sin dejar de mencionar que cabe la
posibilidad de que los METAMATERIALES ya existan y por
ello uno de los mayores secretos de la Física Moderna son
los superconductores de alta temperatura; que no son más
que unas extrañas cerámicas superconductoras con
temperaturas de hasta 90K cuando el límite máximo
según la teoría convencional es de 30K.

C. MATERIALES EN: NANO TECNOLOGÍA,
METAMATERIALES INTELIGENTES, BIOMÉTICOS E
"INVISIBLES"

La NANO TECNOLOGÍA es un campo que ha
resultado de una elevada investigación para los
científicos por las prestaciones y avances que ella trae
implícito, por ello planteamos que es uno de los novedosos
campos donde se aprecian cambios espectaculares en la
fabricación de nuevos materiales, además es la
ciencia de fabricar, controlar estructuras, máquinas a
nivel y tamaño molecular que sean capaces de construir
nuevos materiales átomo a átomo. Su unidad de
medida es muy pequeña y se denomina nanómetro, la
cual no es más que la milmillonésima parte de un
metro (10-9m) y algunos de estos dispositivos se utilizan en la
actualidad, por ejemplo podemos plantear uno muy sencillo los
nanotubos, pequeñas tuberías conformadas con
átomos de carbono puro para diseñar todo tipo de
ingenios de tamaño nanoscópico.

Existen METAMATERIALES compuestos cuyas
propiedades físicas son distintas a la de sus
constituyentes y algunos de ellos se fabrican con técnicas
de nano tecnología similares a las que se usan para
fabricar micromáquinas y circuitos integrados, una ventaja
que ellas presentan es que con ellos se podrían fabricar
lentes planas que permitirían enfocar la luz en
áreas más pequeñas que la longitud de onda
de la luz, con lo que se podría conseguir aplicaciones en
el terreno de la Óptica o de las comunicaciones totalmente
inéditas. Una de estas posibles aplicaciones serían
los ordenadores ópticos, muchísimo más
potentes y rápidos que los actuales, aunque su desarrollo
se encuentra todavía en una fase muy
preliminar.

MATERIALES INTELIGENTES revolucionarán la
forma de concebir la síntesis de materiales, puesto que
serán diseñados para responder a estímulos
externos, extender su vida útil, ahorrar energía o
simplemente ajustarse para ser más confortables al ser
humano. Si en un futuro no muy lejano con respecto a como marcha
la velocidad de la tecnología las investigaciones en el
campo de los nano materiales permitirán en el futuro
emplear sistemas de liberación de fármacos
ultra-precisos, nano máquinas para micro
fabricación, dispositivos nanos electrónicos,
tamices moleculares ultra-selectivos y nano materiales para
vehículos de altas prestaciones, estos materiales
podrán replicarse y repararse así mismos, e
incluso, si fuera necesario, autodestruirse, reduciéndose
con ello los residuos y aumentando su eficiencia. Entre los
materiales inteligentes que se están investigando se
encuentran los músculos artificiales o los materiales que
"sienten" sus propias fracturas.

MATERIALES BIOMIMÉTICOS buscan replicar o
"mimetizar" los procesos y materiales biológicos, tanto
orgánicos como inorgánicos. Los investigadores que
trabajan en este tipo de materiales persiguen un mejor
conocimiento de los procesos utilizados por los organismos vivos
para sintetizar minerales y materiales compuestos, de manera que
puedan desarrollarse, por ejemplo, materiales ultraduros y a la
vez ultraligeros.

BIOMEDICINA, así como otras nuevas
disciplinas, como la biotecnología, la genómica o
la proteinómica, persiguen también la
creación de nuevos materiales que puedan dar lugar al
desarrollo, por ejemplo, de tejidos y órganos artificiales
biocompatibles, células madre, contenedores de
tamaño molecular e inteligentes para la
dosificación controlada de fármacos,
proteínas bioactivas y genes, chips de ADN, dispositivos
de bombeo, válvulas altamente miniaturizadas, una especie
de plásticos, los polímeros, altamente
biodegradables y medioambientalmente limpios a partir de
microorganismos para evitar la utilización de derivados
del petróleo como materia prima, y un sinfín de
posibilidades que hoy por hoy se encuentran en la mente de los
científicos.

Pedro Gómez Romero, investigador del Instituto de
Ciencia de Materiales de Barcelona del CSIC, habla también
de "MATERIALES INVISIBLES": "Son especies y subespecies de
materiales que no están a la vista, pero que constituyen
la esencia de multitud de dispositivos y productos que cada vez
nos parecen más indispensables". Su utilidad reside no
tanto en sus propiedades mecánicas como en sus propiedades
químicas, magnéticas, ópticas o
electrónicas. Aunque representen una pequeña parte
de los dispositivos en los que actúan, cumplen en ellos un
papel estelar. Entre estos materiales invisibles, se habla por
ejemplo de los empleados en las baterías, en las pantallas
planas de ordenadores, teléfonos móviles, paneles
electrónicos y otros dispositivos, o en las
películas sensibles a los rayos X.

Conclusiones

Con el presente trabajo se pretendió exponer
partiendo de una exhaustiva y actualizada búsqueda
bibliográfica estudiando singulares características
de los materiales conocidos como METAMATERIALES y
así sus peculiares propiedades las cuales lo hacen cada
vez más atractivos en diferentes campos como la
Óptica, la Nano tecnología y las Telecomunicaciones
campo este donde los mismos se desarrollan con gran avance
tecnológico.

En resumen podemos plantear que a nivel mundial se
realizan diferentes experimentos alrededor de estos excepcionales
materiales y proponemos que el estudio de los mismos prevé
un amplio avance en cuanto a la tecnología de los mismos
para así poder lograr una significativa uso en un futuro
no muy lejano de lo cual se encargara la Nano tecnología y
otras campos que la superar posteriormente.

Referencias

[1] ¨Left Handed Metamaterials for
Microwave Engineering Applications¨, Departament of
Electrical Engineering, UCLA.

[2] A. Valcárcel. ¨Diseño
de Inversores de Impedancias de Microondas compactos basados en
Metamateriales: Aplicación a divisores de Potencia¨.
Proyecto final de carrera, UAB, Junio 2008.

[3] V. G. Veselago. ¨The
electrodynamics of substances with simultaneously negative
values¨, Sov. Phys. Usp 10, 509, 1968.