Si las capas de invisibilidad y otras aplicaciones geniales van a pasar de la ciencia ficción a la ciencia, necesitaremos saber más sobre cómo funcionan realmente estos extraños metamateriales. La investigadora de Michigan Tech, Elena Semouchkina, ha vuelto a lo básico y ha arrojado más luz sobre la física detrás de la magia.

Los metamateriales ofrecen la posibilidad muy real de que nuestras fantasías más descabelladas algún día puedan volverse reales como rocas. Desde capas de invisibilidad y lentes perfectos hasta baterías inmensamente poderosas, sus aplicaciones de superpoderes tientan la imaginación. Dicho eso hasta ahora "tentar" ha sido la palabra clave, a pesar de que los científicos han estado estudiando metamateriales durante más de 15 años.

"No se han desarrollado muchos dispositivos metamateriales reales, "dice Elena Semouchkina, profesor asociado de ingeniería eléctrica en la Universidad Tecnológica de Michigan. Los soldados no pueden arrojarse capas de invisibilidad sobre sus hombros para eludir el fuego de los francotiradores, y ninguna aplicación de lentes perfecta le permite ver virus con su teléfono inteligente. En parte, eso es porque tradicionalmente, los investigadores simplifican demasiado el funcionamiento real de los metamateriales. Semouchkina dice que a menudo se han ignorado sus complicaciones.

Así que ella y su equipo se dedicaron a investigar esas complicaciones y descubrieron que la magia de los metamateriales está impulsada por más de un mecanismo de la física. Un artículo que describe su investigación fue publicado recientemente en línea por el Journal of Physics D:Física aplicada .

¡Sencillo!

Los metamateriales pueden parecer complejos y futuristas, pero lo contrario se acerca más a la verdad, dice Semouchkina. Los metamateriales ("meta" es la palabra griega para "más allá") son materiales de ingeniería que tienen propiedades que no se encuentran en la naturaleza. Por lo general, se construyen con múltiples elementos idénticos fabricados con materiales convencionales, como metales o materiales no conductores. Piense en un cubo de Rubik formado por millones de unidades más pequeñas que el grosor de un cabello humano.

Estos materiales de diseño funcionan doblando las trayectorias de la radiación electromagnética, desde las ondas de radio hasta la luz visible y los rayos gamma de alta energía, de formas nuevas y diferentes. La forma en que los metamateriales doblan esos caminos, un proceso llamado refracción, impulsa sus aplicaciones peculiares. Por ejemplo, una capa de invisibilidad metamaterial doblaría los caminos de las ondas de luz alrededor de un objeto cubierto, acelerándolos en su camino, y reunirlos en el otro lado. Por lo tanto, un espectador podía ver lo que había detrás del objeto, mientras que el objeto en sí sería invisible.

El enfoque convencional entre los investigadores de metamateriales ha sido relacionar las propiedades refractivas de un metamaterial con la resonancia. Cada pequeño bloque de construcción del metamaterial vibra como un diapasón a medida que pasa la radiación electromagnética, provocando el tipo de refracción deseado.

Pero no tan simple. . .

Semouchkina se preguntó si podría haber factores adicionales involucrados en doblar la trayectoria de las olas.

"Los metamateriales parecen simples, pero su física es más complicada, " ella dice, explicando que ella y su equipo se centraron en metamateriales dieléctricos, que están construidos con elementos que no conducen la electricidad.

El equipo ejecutó numerosas simulaciones por computadora e hizo un descubrimiento sorprendente:fue la forma y la organización repetitiva de los bloques de construcción dentro del metamaterial, su periodicidad, lo que afectó la refracción. La resonancia parecía tener poco o nada que ver con eso.

Los metamateriales que estudiaron tenían características de otro tipo de material artificial, cristales fotónicos. Como metamateriales, Los cristales fotónicos están hechos de muchas células idénticas. Además, se comportan como los semiconductores utilizados en electrónica, excepto que transmiten fotones en lugar de electrones.

"Descubrimos que las propiedades que acompañan a ser un cristal fotónico pueden enmascarar la resonancia de los metamateriales, hasta el punto de que pueden causar una refracción inusual, incluida la refracción negativa, que es necesario para el desarrollo de una lente perfecta, "Dice Semouchkina.

Volver a lo básico

Entonces, ¿qué significa esto para los científicos e ingenieros que diseñan los supermateriales del mañana?

"Básicamente, debemos reconocer que algunas de estas estructuras pueden exhibir propiedades de cristales fotónicos, y debemos tener en cuenta su física, ", Dice Semouchkina." Es un campo en evolución, y es mucho más complicado de lo que creemos ".

El equipo de Semouchkina está trabajando en el desarrollo de capas de invisibilidad utilizando cristales fotónicos, pero enfatiza que la investigación de metamateriales puede tener otras aplicaciones en el mundo real. Uno de sus proyectos se centra en el uso de conceptos de metamateriales para mejorar la sensibilidad de la resonancia magnética (MRI), lo que podría conducir a mejores diagnósticos médicos y avances en la investigación biológica.

"Este es un resultado muy práctico, en comparación con las cosas de Harry Potter, " ella dice.

Comprender la física subyacente de los metamateriales acelerará el desarrollo de tales dispositivos.