Con el término 'metamaterial' se hace referencia a un medio artificial, generalmente diseñado a partir de estructuras metalodieléctricas (compuestas de partículas metálicas inmersas en materiales aislantes), y que posee propiedades electromagnéticas no encontradas antes, o al menos no usuales, en la Naturaleza. En este sentido, Ricardo Marqués considera que es conveniente aclarar que el concepto de medio "se usa en este contexto con un significado muy preciso: las propiedades electromagnéticas del sistema deben poder describirse adecuadamente mediante ciertas magnitudes promediadas, como una permitividad eléctrica o la permeabilidad magnética efectivas”.

Pese a que existen precedentes históricos sobre los metamateriales desde 1968, no es hasta el año 2000 cuando este campo empieza a despertar cierto interés en el mundo científico. Fue el profesor David Smith quien acuñó en este mismo año el término 'metamaterial', viéndose multiplicadas las publicaciones a este respecto, pasando de 2 en el año 2000 a 570 en 2005, según la base de datos INSPEC especializada en física, electrónica y computación. El propio grupo de investigación de la Universidad de Sevilla ha realizado numerosas e importantes aportaciones en este campo. Su responsable es fundador y primer coordinador de la Red Española de Metamateriales, financiado por el Ministerio de Educación y Ciencia.

Aplicaciones

Según Ricardo Marqués, el interés despertado en los últimos años por los metamateriales, tanto en el sector científico como tecnológico, viene generado por los nuevos fenómenos en el campo de la óptica y el electromagnetismo, tales como refracción negativa, super-lentes capaces de generar imágenes con resolución más allá de los límites impuestos por la teoría clásica de la difracción, generación de invisibilidad (cloaking) en ciertos intervalos de frecuencia, etc.

En este sentido, el objetivo de estos científicos es consolidar una potente línea de investigación en el terreno de los metamateriales electromagnéticos, con posibles aplicaciones en la tecnología electrónica y las telecomunicaciones. Entre los resultados que esperan conseguir, Ricardo Marqués destaca el avance en la comprensión teórica de los metamateriales, desarrollando nuevos diseños con mejores prestaciones. Por otro lado, el grupo de investigación también aspira a avanzar, en un periodo de medio a largo plazo, en el desarrollo de superlentes basadas en metamateriales con aplicaciones en la generación de imágenes y en la focalización de energía electromagnética.

En relación a este último objetivo, los científicos del departamento de Electrónica y Electromagnetismo de la Universidad de Sevilla consideran que la aplicación de lentes metamateriales, no sujetas al límite de resolución impuesto por la teoría de la difracción de los sistemas ópticos convencionales, podría aliviar en parte los complejos procesos de obtención de imágenes médicas por resonancia magnética, permitiendo la adquisción de imágenes en tiempo real o casi. Desde este grupo ya se han desarrollado diversas técnicas de detección de imágenes como la detección mediante láminas de ferrita y, sobre todo, la detección mediante superficies magneto-inductivas acopladas, considerando esta última tecnología especialmente prometedora por su fácil escalado y su versatilidad en aplicaciones para una ancha banda de frecuencias.

De curiosidad a vanguardia científica

La investigación en metamateriales tiene uno de sus primeros precedentes históricos en los trabajos del físico ruso Víctor Veselago, del Instituto Tecnológico de Moscú. En una publicación de 1968, Veselago analizó las propiedades electromagnéticas de un hipotético medio de permitividad y permeabilidad simultáneamente negativas al que bautizó como medio left-handed, en su traducción inglesa, o “zurdo” en la española. El físico encontró que dicho medio no sólo debería ser transparente para la radiación electromagnética, sino que además presentaría propiedades no encontradas hasta la fecha en los medios naturales, como velocidades de fase y grupo anti-paralelas, refracción negativa, efectos Doppler y Cerenkov anómalos (invertidos), etc. Sin embargo, al no encontrarse medios de estas características entre los materiales habituales en tecnología electrónica, este estudio quedó como una curiosidad científica.

En el año 2000, David Smith, de la Universidad de California–San Diego, presentó la primera realización experimental de un medio que presentaba polarizabilidad y permeabilidad simultáneamente negativas en una cierta banda de frecuencias en el rango de las microondas. En su trabajo, Smith combinó dos hallazgos previos que simulaban medios de permitividad negativa y permeabilidad negativa a frecuencias de microondas. Esta primera realización era en realidad una estructura mono-dimensional que sólo parcialmente verificaba las propiedades predichas por Veselago.

Casi simultáneamente, John Pendry, del Imperial College (UK), predijo una de las propiedades mas impactantes de los medios “zurdos”: la capacidad de una lámina de dicho medio para, en determinadas circunstancias, actuar como una “lente perfecta” (o súper-lente) capaz de reproducir detalles de tamaño muy inferior a la longitud de onda de la radiación incidente, aunque pronto se demostró que las inevitables pérdidas en el metamaterial afectarían drásticamente este efecto.

Más información:

Ricardo Marqués Sillero

Universidad de Sevilla

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