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.