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Metamateriales Refracción Negativa Piensa en el poder demostrado por el anillo de J. R. R. Tolkien en El Señor de los Anillos, o en los dispositivos de ocultación de los Romulanos de Star Trek (que podían hacer desaparecer de la vista a sus naves de guerra), o en la capa mágica de Harry Potter, o en la prenda que hace que los jugadores se desvanezcan en el clásico videojuego "Dungeons and Dragons”. El poder de hacer desaparecer a alguien o a algún objeto hasta convertirlo en invisible siempre ha fascinado a la humanidad. El siguiente trabajo es una recopilación de conceptos y artículos referentes a los metamateriales. Todas las fuentes se encuentran al final. Metamaterial No existe una definición universalmente aceptada de metamaterial; en el sentido más amplio, se trataría de un material artificial que presenta propiedades electromagnéticas inusuales, propiedades que proceden de la estructura diseñada y no de su composición, es decir, son distintas a las de sus constituyentes. En un sentido más estricto, hay quien considera un metamaterial a aquél que constituye una estructura periódica, cuya dimensión máxima sea menor que la longitud de onda con la que vaya a trabajar. De esta manera, la estructura diseñada podría considerarse como una "molécula", y sus propiedades ser modeladas mediante parámetros globales, permitividad, permeabilidad, índices de refracción.... exactamente igual a como se hace con las moléculas presentes en la naturaleza. Algunos amplían esta definición incluyendo en las mismas estructuras aleatorias (igual que en la naturaleza existen sólidos cristalinos, periódicos y sólidos amorfos) y también existe quien no considera la restricción del tamaño de la estructura, aceptando también como metamateriales a aquellos de dimensiones mayores que la longitud de onda (cristales fotónicos). Por el contrario, también existe quien restringe aún más esa definición, considerando como metamateriales sólo a aquellos que presentan coeficientes de refracción negativos (metamateriales "doble negativos" o "zurdos". Los metamateriales tienen una gran importancia en los campos de la óptica y del electromagnetismo. Muchos estudios que se llevan a cabo hoy en día van orientados al diseño de nuevos materiales capaces de tener un índice de refracción ajustable, la creación de "superlentes" que mejorarían drásticamente la calidad de las imágenes para el diagnóstico médico y otros usos. Algunos conceptos básicos: Möbius Anillo de möbius, se obtiene con una tira de papel ABCD dando media vuelta a uno de sus extremos y pegándolos de modo que A caiga sobre D y B sobre C. Esta figura, muy interesante en topología, carece de revés, o sea consta de una sola cara de superficie y no de dos como lo demuestra el hechpo de que si se pinta empezando por un punto cualquiera el pincel vuelve al punto de partida sin que se haya vuelto el papel sobre la mesa y queda íntegramente pintada toda su superficie. Geometría Una forma de representar la banda de Möbius (cerrada y con frontera) como un subconjunto de es mediante la parametrización R^3: Representa una banda de Möbius de ancho unitario, cuya circunferencia central tiene radio unitario y se encuentra en el plano coordenado x-y centrada en . El parámetro u recorre la banda longitudinalmente, mientras v se desplaza de un punto a otro del borde, cruzando transversalmente la circunferencia central. Con la parametrización anterior podemos obtener su curvatura gaussiana la cual es: En coordenadas cilíndricas , se puede representar una versión sin frontera (abierta) de la banda de Möbius mediante la ecuación: Investigadores de Berkeley descubren simetría de Möbius en metamateriales La simetría de Möbius, el fenómeno topológico que deja una banda semi-retorcida con dos superficies pero sólo una cara, ha sido fuente de fascinación desde su descubrimiento en 1858 por el matemático alemán August Möbius. Como el artista M.C. Escher demostró tan vívidamente en su “desfile de hormigas”, es posible atravesar las superficies “interior” y “exterior” de una banda de Möbius sin cruzarla por un borde. Durante años, los científicos han estado buscando un ejemplo de simetría de Möbius en materiales naturales, sin éxito. Ahora, un equipo de científicos ha descubierto simetría de Möbius en metamateriales – materiales diseñados a partir de “átomos” artificiales y “moléculas” con propiedades electromagnéticas que surgen a partir de su estructura en lugar de su composición química. Xiang Zhang, científico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de los Estados Unidos, y profesor de la Universidad de California (UC) en Berkeley, lideró un estudio en el que se introdujo con éxito una simetría de Möbius electromagnética en un sistema metamolecular compuesto formado a partir de metales y dieléctricos. Este descubrimiento abre la puerta al hallazgo y explotación de nuevos fenómenos en metamateriales. “Hemos observado experimentalmente una nueva simetría topológica en sistemas de metamateriales electromagnéticos, que es equivalente a la simetría estructural de una banda de Möbius, con el número de giros controlados por los cambios de signo en el acoplamiento electromagnético de los meta-átomos”, comenta Zhang. “Además hemos demostrado que metamateriales con distinto signo de acoplamiento muestran frecuencias de resonancia que dependen del número, pero no de la posición de los giros. Esto confirma la naturaleza topológica de la simetría”. Trabajando con meta-átomos metálicos resonantes configurados como resonadores de anillos de media luna acoplados, Zhang y miembros de su equipo de investigación ensamblaron tres de estos meta-átomos idénticos en trímeros. A través de un cuidadoso diseño de los acoplamientos electromagnéticos entre los meta-átomos constituyentes, estos trímetos mostraron una simetría de Möbius C3 – lo que significa una simetría cíclica de Möbius a lo largo de tres rotaciones de 120 grados. El giro de Möbius procede del cambio en el signo de las constantes de acoplamiento electromagnético entre los meta-átomos constituyentes. “La simetría de Möbius topológica que encontramos en nuestros trímeros de meta-moléculas es una nueva simetría que no se encuentra en materiales o moléculas naturales”, señala Zhang. “Dado que las constantes de acoplamiento de las metamoléculas pueden variar aritrariamente de positivo a negativo sin restricciones, el número de giros de Möbius que podemos introducir no tiene límite. Esto significa que las estructuras topológicas que hasta el momento han estado limitadas a la imaginación matemática, pueden ahora hacerse realidad usando metamoléculas de diseños distintos”. Los detalles del descubrimiento se han publicado en la revista Physical Review Letters, en un artículo titulado “Optical Möbius Symmetry in Metamaterials”. Los coautores del artículo junto a Zhang fueron Chih-Wei Chang, Ming Liu, Sunghyun Nam, Shuang Zhang, Yongmin Liu y Guy Bartal. Xiang Zhang es investigador principal de la División de Ciencias de los Materiales del Berkeley Laby Profesor Catedrático Ernest S. Kuh de la UC Berkeley, donde dirige el Centro para NanoFabricación Escalable e Integrada (SINAM), un Centro de Ingeniería y Ciencia a NanoEscala de la Fundación Nacional de Ciencia. En ciencia, la simetría se define como un sistema de características o propiedades que se conserva cuando el sistema sufre un cambio. Este es uno de los conceptos más fundamentales y cruciales de la ciencia, sosteniendo a fenómenos físicos tales como las leyes de conservación y las reglas de selección que gobiernan la transición de un sistema de un estado a otro. La simetría también dicta las reacciones químicas y dirige un número de importantes herramientas científicas, incluyendo la cristalografía y la espectroscopía. Aunque algunas simetrías, tales como las geometrías espaciales, son fácilmente observadas, otras, tales como las simetrías ópticas, pueden estar ocultas. Una poderosa herramienta investigadora para descubrir tales simetrías ocultas es un fenómeno general conocido como “degeneración”. Por ejemplo, el nivel de energía de degeneración de un átomo en un cristal está correlacionado con la simetría del cristal. Un sistema de tres cuerpos, como un trímero, puede ser especialmente efectivo para el estudio de la correlación entre degeneración y simetría porque, aunque es un sistema relativamente simple, revela un rico espectro de fenómenos. “Las propiedades únicas de un sistema de tres cuerpos hace posible la investigación experimental de las simetrías ocultas”, dice Chih-Wei Chang, antiguo post-doc en el grupo de Zhang y el autor principal del artículo de Physical Review Letters. “Intrigado por la extraordinaria flexibilidad para el desarrollo de metamateriales, decidimos investigar algunas simetrías no triviales ocultas bajo estas metamoléculas, estudiando sus propiedades de degeneración”. Los autores probaron sus metamateriales buscando simetrías ocultas iluminándolos y monitorizando las resonancias ópticas. Las frecuencias resonantes resultantes revelaron que la degeneración se mantiene incluso cuando cambian de signo las constantes de acoplamiento entre meta-átomos. “Debido a que la degeneración y la simetría siempre están correlacionadas, debe haber alguna simetría oculta bajo la degeneración observada”, comenta Chang. Los investigadores demostraron que mientras que los sistemas de trímeros con signos de acoplamiento uniforme negativo (o positivo) podían simbolizarse como un triángulo equilátero, los sistemas de trímeros con signos de acoplamiento mezclados sólo podían simbolizarse mediante una banda de Möbius con una simetría topológica C3. Además, en otros sistemas metamoleculares hechos de seis átomos, los autores demuestran hasta tres giros de Möbius. Comenta Chang, ahora membro del profesorado de la Universidad Nacional de Taiwán en Taipei, que: “Cuando pasamos de sistemas naturales a meta-átomos y metamoléculas artificiales, podemos esperar encontrar fenómenos más allá de nuestras ideas convencionales. Las nuevas simetrías encontradas en metamateriales podrían extenderse a otros tipos de sistemas artificiales, tales como las uniones de Josephson, que abrirán nuevas avenidas para novedosos fenómenos en la electrónica y óptica cuántica”. La invisibilidad, el vidrio y los metamateriales Elena Semouchkina, profesora de ingeniería eléctrica e informática de la Universidad Tecnológica de Michigan. Ella ha encontrado maneras de utilizar la resonancia magnética para captar los rayos de la luz visible y la ruta que ésta toma en torno a objetos hasta lograr hacerlos invisibles al ojo humano. Semouchkina y sus colegas de la Universidad Estatal de Pensilvania, donde también es profesora, recientemente informaron sobre su investigación en la revista Applied Physics Letters, publicada por el Instituto Americano de Física. Los co-autores son Douglas Werner, Carlo Pantano y Semouchkin George. En la publicación se describe el desarrollo de una capa no metálica que utiliza resonadores idénticos dentro de un cristal de vidrio de calcogenuro, un tipo de material dieléctrico que no es conductor de la electricidad. En simulaciones por ordenador, una capa específica de este tipo de cristal hecha sobre objetos afectados por ondas de infrarrojos (es decir, con longitudes de onda de cerca de un micrón o una millonésima de un metro de largo) sencillamente provoca que estos objetos desaparezcan de la vista, es decir, se tornen invisibles. La primera aplicación de los vidrios de calcogenuro tuvo lugar en el campo de la xerografía, pero en los años 60 del siglo pasado encontraron utilidad en el área de las nanotecnologías aprovechando la diferencia de conductividad eléctrica entre las fases vítreas y cristalinas que este tipo de cristal posee. Este fenómeno dio lugar a su incorporación en circuitos opto-electrónicos. El proceso tiene lugar por la “amorfización” y “re-cristalización local” de una capa de vidrio de calcogenuro. Se calienta localmente la capa cristalizada hasta una temperatura superior a su punto de fusión por medio de un impulso láser. Luego de esto, la zona caliente se enfría a una gran velocidad, muy superior a la velocidad crítica de amorfización del calcogenuro, dando lugar a la formación en la matriz cristalizada de una marca amorfa con una conductividad eléctrica diferente. Mediante la medición de las propiedades reflectivas (óptica) resultantes es posible leer la información registrada en el material. Primero fue Matsushita la que comenzó con la fabricación de discos DVD y posteriormente Intel y Samsung introdujeron esta tecnología en memorias RAM capaces de alcanzar velocidades de conmutación muy grandes con consumos eléctricos muy bajos y densidades de información altísimas. Los anteriores intentos por parte de otros investigadores utilizaban anillos de metal y alambres. "El nuestro es el primero en hacer “el encubrimiento” sobre objetos cilíndricos empleando vidrio", dijo Semouchkina. Su capa de invisibilidad utiliza metamateriales que en la práctica son materiales artificiales con propiedades que no existen en la naturaleza. Esta capa está hecha de resonadores de cristales minúsculos dispuestos en un patrón concéntrico dentro de la forma de un cilindro. Los "rayos" de la configuración concéntrica producen la resonancia magnética requerida para “doblar” las ondas de luz alrededor de un objeto, y este fenómeno transforma a dicho objeto en invisible. Los metamateriales empleados en el proceso se comportan como pequeños resonadores en lugar de átomos o moléculas de materiales naturales. Y gracias a esta propiedad se sitúan en un espacio intermedio entre los materiales convencionales utilizados por la ciencia y la ingeniería eléctrica. Según la Sociedad Americana de Física, los metamateriales son considerados uno de los tres descubrimientos más importantes de la década en el campo de la física. Los rayos de luz se reorientan al salir provocando la invisibilidad del objeto cubierto En la actualidad, Semouchkina y su equipo están experimentando con un manto de invisibilidad para trabajar a frecuencias de microondas. En este caso, el manto está construido a partir de resonadores cerámicos. Están utilizando para este trabajo la cámara anecoica de la Universidad Tecnológica de Michigan, esto es, una habitación (con el aspecto de una dantesca caverna), dentro del laboratorio del Centro de Recursos de Energía Eléctrica, en cuyas paredes hay (estratégicamente alineados) conos de espuma altamente absorbente de color gris carbón. Vale aclarar que estos espacios especiales se utilizan para simular los ensayos como si se estuviera trabajando a campo abierto (por ello, todas las paredes se recubren de material absorbente). Allí, las antenas de transmisión y recepción utilizan el espectro de las microondas, que poseen longitudes de onda mayores que la luz infrarroja y alcanzan resonancias de hasta varios centímetros de largo. Utilizando estos medios, han logrado “hacer desaparecer” cilindros metálicos de 5 a 8 centímetros de diámetro y de 8 a 10 centímetros de alto. Los metamateriales están aportando nuevas herramientas a las investigaciones de invisibilidad "A partir de estos experimentos, queremos pasar a frecuencias más altas y longitudes de onda más pequeñas", apuntó la investigadora. "Las aplicaciones más emocionantes serán cuando alcancemos el espectro de las frecuencias de la luz visible." ¿Así que algún día será posible que la policía pueda ocultar todo un equipo SWAT o el Ejército pueda hacer lo mismo con un tanque? "Es posible en principio, pero no en este momento", dijo Semouchkina. Cómo construir un multiverso Los metamateriales permiten la creación de espacios adyacentes con sus propias leyes de la física, como el multiverso. Los metamateriales son sustancias en las que los físicos han estado jugueteando con la capacidad del material para soportar campos eléctricos y magnéticos. Pueden diseñarse para desviar ondas alrededor, por encima o por debajo de objetos y crear capas de invisibilidad que los oculten. Si esto te suena un poco a la forma en que los campos gravitatorios curvan la luz, no te sorprenderá saber que hay una analogía matemática formal entre los metamateriales ópticos y la relatividad general. La idea de que cualquier cosa que Einstein pueda hacer, los metamateriales pueden hacerlo también ha alimentado una explosión de interés en el “espacio electromagnético”. Los físicos ya han investigado agujeros negros que absorben la luz pero no la dejan salir y agujeros de gusano que conectan distintas regiones del espacio electromagnético. Hoy, Igor Smolyaninov de la Universidad de Maryland en College Park dice que la analogía con el espacio-tiempo puede llevarse mucho más lejos. Dice que es posible crear metamateriales que son análogos a varios tipos de espacios soñados por los cosmólogos para explicar aspectos del universo. En estas teorías, el espacio puede tener distintos números de dimensiones que se compactan en los inicios de la historia del universo, dejando las tres dimensiones espaciales y una temporal (3+1) que vemos hoy. Las simetrías de estos espacios dependen de las dimensiones y la forma en que se compactan y esto, a su vez, determina las leyes de la física de estas regiones. Resulta que, dice Smolyaninov, es posible crear metamateriales con espacios electromagnéticos en los que algunas dimensiones estén compactadas. Dice que incluso es posible crear sustancias en las que los espacios varíen de región a región, por lo que un espacio con dos dimensiones comunes y otras 2 compactadas, podría estar adyacente de un espacio con sólo dos dimensiones comunes y también conectado a un espacio 2d con 1 dimensión compactada, etc.. Los agujeros de gusano que hacen las transiciones entre estas regiones serían especialmente interesantes. Debería ser posible observar el nacimiento de fotones en estas regiones e incluso hay un sentido en el que la transición podría representar el nacimiento de un nuevo universo. “Una transición topológica similar puede haber dado nacimiento a nuestro propio universo”, dice Smolyaninov. Continúa demostrando que estos materiales pueden usarse para crear un multiverso en el cual los distintos universos tienen propiedades diferentes. De hecho, debería ser posible crear universos en los que surjan distintas leyes de la física. Esto abre una área completamente nueva para los dispositivos ópticos. Smolyaninov ofrece el ejemplo de universos electromagnéticos en los que los fotones se comportan como si tuviesen masa, sin masa o estuviesen cargados dependiendo de la topología del espacio y las leyes de la física que surgen. New materials may bring advanced optical technologies, cloaking WEST LAFAYETTE, Ind. - Researchers are developing a new class of "plasmonic metamaterials" as potential building blocks for advanced optical technologies, including ultrapowerful microscopes and computers, improved solar cells, and a possible invisibility cloak. The new materials could make possible "nanophotonic" devices for numerous applications, said Alexandra Boltasseva, an assistant professor of electrical and computer engineering at Purdue University. Unlike natural materials, metamaterials may possess an index of refraction less than one or less than zero. Refraction occurs as electromagnetic waves, including light, bend when passing from one material into another. It causes the bent-stick-in-water effect, which occurs when a stick placed in a glass of water appears crooked when viewed from the outside. Being able to create materials with an index of refraction that's negative or between one and zero promises a range of potential breakthroughs in a new field called transformation optics. However, development of new technologies using metamaterials has been hindered by two major limitations: too much light is "lost," or absorbed by metals such as silver and gold contained in the metamaterials, and the materials need to be more precisely tuned so that they possess the proper index of refraction. Now, researchers are proposing a new approach to overcome these obstacles. Findings will be detailed in an article appearing Friday (Jan. 21) in the journal Science. The article was written by Boltasseva and Harry Atwater, Howard Hughes Professor and a professor of applied physics and materials science at the California Institute of Technology. The researchers are working to replace silver and gold in materials that are created using two options: making semiconductors more metallic by adding metal impurities to them; or adding non-metallic elements to metals, in effect making them less metallic. Examples of these materials include aluminum oxides and titanium nitride, which looks like gold and is used to coat the domes of Russian churches. Researchers have tested some of the new materials, demonstrating their optical properties and finding that they outperform silver and gold, in work based at the Birck Nanotechnology Center in Purdue's Discovery Park. Plasmonic metamaterials are promising for various advances, including a possible "hyperlens" that could make optical microscopes 10 times more powerful and able to see objects as small as DNA; advanced sensors; new types of light-harvesting systems for more efficient solar cells; computers and consumer electronics that use light instead of electronic signals to process information; and a cloak of invisibility. Optical nanophotonic circuits might harness clouds of electrons called "surface plasmons" to manipulate and control the routing of light in devices too tiny for conventional lasers. Some of the new materials are showing promise in uses involving near-infrared light, the range of the spectrum critical for telecommunications and fiberoptics. Other materials also might work for light in the visible range of the spectrum. The new materials might be tuned so that their refractive index is ideal for specific ranges of the spectrum, allowing their use for particular applications. Future photonics technologies will revolve around new types of optical transistors, switches and data processors. Conventional computers transmit and process pieces of information in serial form, or one piece at a time. However, future computers may use parallel streams of data, resulting in much faster networks and computers. Fuentes http://es.wikipedia.org/wiki/Metamaterial http://es.wikipedia.org/wiki/Banda_de_M%C3%B6bius Diccionario Ilustrado de las Ciencias Larousse. Tomo2 http://www.cienciakanija.com/2010/12/21/investigadores-de-berkeley-descubren-simetria-de-mobius-en-metamateriales/ http://www.neoteo.com/la-invisibilidad-el-vidrio-y-los-metamateriales.neo http://www.cienciakanija.com/2010/05/11/como-construir-un-multiverso/#more-8285 http://www.purdue.edu/newsroom/research/2011/110121BoltassvaMetamats.html