Dado que la luz es una onda electromagnética, de manera inherente sufre el fenómeno de la refracción cuando se transmite de un medio a otro. Este fenómeno ocurre cuando la onda que se propaga en un medio con un determinado índice de refracción, pasa a un segundo medio que tiene un índice de refracción distinto al primero. La luz propagada cambia su dirección.

El índice de refracción varía con la frecuencia de la luz y es un número generalmente positivo que se calcula como la razón de velocidades de propagación entre la correspondiente en el vacío respecto a la velocidad que adquiere en un determinado medio. En la figura siguiente, a la izquierda se muestra la propagación de un haz de luz transmitido por una placa de vidrio convencional. A la derecha se muestra la propagación correspondiente a través de una placa de material con índice de refracción negativo o metamaterial.  El índice negativo causa que la propagación del haz se realice en la dirección opuesta con respecto al del medio convencional.

Figura 1. Izquierda: propagación de un haz de luz a través de una placa de vidrio convencional. Derecha: propagación a través de una placa con índice de refracción negativo o metamaterial. Dentro del metamaterial la luz viaja en un ángulo contrario al del material convencional.

Dicho de otra manera, si representamos a la velocidad de la luz en el vacío mediante la letra c y a la velocidad de la luz en un medio por la letra v, tendremos que el índice de refracción de ese medio será igual a la razón c/v. Esta razón es generalmente mayor a uno, ya que la velocidad de la luz en un medio es menor a la velocidad de la luz en el vacío. Por ejemplo, el vidrio común, presenta un índice de refracción de aproximadamente 1.5, el agua de aproximadamente 1.3 y el aire presenta un índice de refracción apenas un poco mayor a 1.0.

A pesar de que el índice de refracción normalmente toma un valor positivo, en 1968, Viktor Veselago, científico graduado en 1952 en la Universidad de Moscú, demostró que, bajo ciertas condiciones, algunos materiales podrían presentar índices de refracción negativos. Aunque en esa época se trataba solamente de una teoría, conjeturó que, si esto fuese posible, para esos casos, el índice de permitividad eléctrica (e) así como el de permitividad magnética (µ) tendrían que ser, ambos, negativos. Concluyó que de ser esto posible, estos materiales tendrían propiedades ópticas muy diferentes a las presentadas por los materiales convencionales utilizados en la óptica hasta ese entonces. Además, dichos materiales presentarían la llamada propiedad de la mano izquierda, debido a que el producto vectorial del campo eléctrico con el magnético giraría en sentido inverso comparado con los materiales convencionales cuyo producto vectorial sigue la regla de la mano derecha.

Aunque la teoría electromagnética predice que los materiales presentan permitividades negativas a ciertas frecuencias, aprovechar estas características, en esas frecuencias en particular, resulta complejo y poco práctico, por lo que es necesario recurrir a la fabricación de “materiales” artificiales. De esta manera será posible ampliar estas técnicas a un mayor número de aplicaciones. Por supuesto, estos “materiales artificiales” se componen a la vez de materiales convencionales.

A mediados de los años noventa, se inició con el desarrollo experimental de materiales con índices de refracción negativos. Estos materiales son artificialmente preparados por lo que reciben el nombre de metamateriales. Esta palabra tiene su origen en el vocablo griego meta (µ?ta) que significa más allá.

Los primeros metamateriales propuestos, consisten de un conjunto de alambres y bobinas combinados en formas de estructuras de anillos metálicos o de ferrita, que permiten obtener simultáneamente, permitividades eléctricas y magnéticas negativas y a la vez presentan índices de refracción negativos a ciertas frecuencias específicas. En efecto, fue en 1999, que los científicos D. R. Smith y sus colaboradores de la Universidad de California reportaron el primer arreglo con las propiedades mencionadas. Dicho arreglo consiste de un diseño de embobinados, que tomaron de un desarrollo previo de J. B. Pendry y sus colaboradores del Imperial College de Londres, como se describe a continuación.

La figura 2 representa una bobina resonadora construida con pistas de cobre sobre una placa de material aislante. La bobina está diseñada para resonar a la frecuencia de 4.845 GHz. Las dimensiones, ancho y alto de la bobina son de aproximadamente 2.5 mm.

Figura 2. Bobina realizada mediante pistas de cobre depositados sobre una placa de material aislante.

La idea para construir el metamaterial, consiste en apilar de forma vertical tres de estas bobinas en un arreglo periódico. En la figura 3 se muestra una porción de un arreglo que consta de 20 x 20 tiras.

Figura 3. Porción de un arreglo de 20 x 20 tiras, cada una con tres bobinas resonantes alineadas verticalmente, realizadas mediante pistas de cobre depositados sobre una placa de material aislante.

El resultado del arreglo de la figura 3, proporciona un metamaterial con índice de refracción negativo al paso de una onda electromagnética con una frecuencia 4.845 GHz. Aunque la frecuencia de este sistema no está en el espectro visible, funciona para mostrar el principio. Se están desarrollando nuevas técnicas que funcionarán con luz visible.

Los metamateriales nos proporcionan nuevas aplicaciones. Se pueden utilizar para realizar lentes que enfocan en campos mucho más cercanos y con mucho mayores resoluciones que las lentes convencionales. Se pueden crear zonas de invisibilidad en objetos microscópicos o pueden utilizarse para descubrir objetos que permanecerían escondidos para la óptica tradicional, ya que los rayos luminosos en un metamaterial viajan en ángulos opuestos a los de la óptica convencional.

A la fecha de este escrito, se continúa investigando sobre nuevos metamateriales utilizando diferentes técnicas, por ejemplo, se están empleando inclusiones sobre materiales dieléctricos. Así, a pesar que desde 1968 Veselago propuso la opción del uso de materiales con índices de refracción negativos o izquierdos, la tecnología en este campo inicia apenas, seguramente, preparándonos interesantes sorpresas.

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