“Meta” significa “más allá”. Los metamateriales adquieren ese nombre debido a que presentan características que no se encuentran en la naturaleza. Son materiales estrictamente diseñados por el ser humano para interaccionar con la luz de maneras que hasta ahora sólo eran posibles en la imaginación. En este artículo vamos a conocer el principio que ha motivado la invención de los metamateriales y la estructura que hay detrás de ellos.

Para ello vamos a comenzar presentando una rama de investigación actual muy presente y que va de la mano con el ingenio de los metamateriales. Esta es la óptica de transformaciones. No vamos a entrar en los detalles técnicos (porque requieren de matemáticas bastante avanzadas) pero sí a explicar qué es lo que tratan de conseguir. Se trata de responder a la siguiente pregunta: si tuvieras completa libertad para modificar la trayectoria de la luz, ¿cómo lo harías? La óptica de transformaciones decide que una buena forma es modificando el propio espacio por el que se mueve la luz.

Supongamos el siguiente caso: un rayo de luz que se mueve por el vacío. Este, según las leyes de la física, seguirá una trayectoria rectilínea. Si dibujamos una cuadrícula, seremos capaces de describir con todo detalle la trayectoria del rayo.

Ahora grabemos esa trayectoria en nuestra cuadrícula, que a partir de ahora vamos a llamar sistema de referencia. Podemos rotar, trasladar, y estirar el sistema de referencia, entre otras cosas, como queramos (encontrando las matemáticas adecuadas, claro, pero ese no es nuestro problema). Lo que es importante es que debido a que la configuración inicial del rayo está grabada sobre el sistema, su trayectoria también se verá modificada. Este es el principio que motiva la óptica de transformaciones. Modificar la trayectoria de la luz manipulando el espacio por el que se mueve.

Estupendo. Hemos ideado una forma que matemáticamente nos puede ayudar a modificar la trayectoria de la luz en nuestra mente. Esto es una herramienta poderosa, porque hasta ahora no ha habido ninguna restricción; podríamos hacer que la luz recorriera el camino que quisiéramos como quisiéramos (aunque siempre hay alguna excepción, pero no es importante por ahora). Ahora bien, ¿cómo lo ponemos en práctica en la vida real?

Aquí es donde entran en acción los metamateriales. Hasta ahora hemos hablado de modificar el espacio por el que se mueve la luz. Los metamateriales tienen ese objetivo: materializar esa modificación del sistema de referencia. Diseñados de una forma muy específica, prometen poder curvar la luz a nuestro antojo. Pero, ¿cómo lo hacen?

Los metamateriales consisten en pequeñas estructuras con un patrón repetitivo hechas de materiales usuales, como metales y plásticos. Se tratan de materiales artificiales cuyas propiedades son distintas a las de sus constituyentes: proceden de su estructura diseñada. Lo más importante es que estos patrones tienen un tamaño menor que la longitud de onda de la luz que se quiere manipular. Esto tiene muchas ventajas, y es el principio que hace a los metamateriales tan especiales. Gracias a esta característica, la luz “ve” el metamaterial como un material homogéneo, y por lo tanto se puede describir mediante un índice de refracción.

Hemos soltado mucha información rápidamente. Quizás el lector no esté familiarizado con algunos de los conceptos mencionados, así que vamos a repasarlos uno a uno.

En primer lugar, ¿qué es la longitud de onda? Esta es una propiedad de las ondas, y como quizás el lector ya sepa, la luz es una onda. Por lo tanto tenemos que tener en cuenta su naturaleza como onda. Quizás haya escuchado que la luz es también una partícula, y está el lector definitivamente en lo cierto, pero en este artículo solamente nos interesan sus propiedades como onda.

Una onda se define como la propagación de una perturbación de alguna propiedad del espacio por el que se mueve. Por ejemplo, el sonido son perturbaciones del aire que hacen vibrar a nuestro tímpano, y eso nuestro cuerpo lo interpreta con las sensaciones que llamamos “sonidos”. Las moléculas del aire vibran, y esa vibración se propaga por el espacio, definiendo una onda. Un ejemplo más simple es una cuerda que hacemos oscilar, moviendo un extremo arriba y abajo. Así pues, una longitud de onda es la distancia que hay entre dos puntos con el mismo estado de perturbación.

En segundo lugar, ¿qué es un material homogéneo? Pues es aquel que presenta las mismas propiedades en cualquier parte del material. El hecho de que los metameteriales estén formados por estructuras repetitivas es clave para este concepto. Si no fuera así, en puntos distintos del material la luz “vería” cosas distintas. De forma análoga, las moléculas forman estructuras periódicas que en escalas grandes nos permiten ver con nuestros ojos los materiales sin diferenciar sus componentes. El principio es el mismo. En este sentido, imitan el comportamiento de las moléculas: forman estructuras microscópicas que cambian las propiedades macroscópicas del material. El caso de los metamateriales es tan especial porque las propiedades que se consiguen con ellos son distintas a las que se encuentran en la naturaleza.

Y por último, ¿qué es el índice de refracción? Esto será más fácil de explicar recordando una de las leyes que quizás el lector haya visto en clase. La ley de Snell:

Las magnitudes n1 y n2 son los índices de refracción de los materiales por donde se propaga el haz de luz. Esta ley se aplica cuando el rayo de luz cambia de medio en su propagación para describir su nueva trayectoria, pero en este caso nos sirve para explicar que el índice de refracción describe, de alguna manera, cómo interacciona el medio con la luz. Esta magnitud modela la interacción de la luz con el medio por donde se propaga.

Y es ahí, volviendo a los metamateriales, donde se encuentra el mayor interés. Quizás en clase haya escuchado que el índice de refracción es siempre positivo y mayor que 1, debido a su definición

donde c es la velocidad de la luz en el vacío y v la velocidad de propagación de la luz en el medio que estemos considerando. Pero lo cierto es que soluciones que desafían esa definición son físicamente posibles. Los metamateriales son capaces de reproducir índices de refracción negativos, cosa que da lugar a efectos verdaderamente sorprendentes como una refracción “espejo”; contraria a lo que estamos acostumbrados. A estos se les llaman metamateriales zurdos.

Ya hemos echado un vistazo a qué son los metamateriales, de dónde vienen motivados y repasado algunos conceptos fundamentales. Para cerrar el artículo, vamos a nombrar algunas de las aplicaciones que los científicos teorizan que serían posibles gracias a los metamateriales.

Objetos tan ficticios como una capa de invisibilidad podrían hacerse realidad (¡como la de Harry Potter!). Podéis echarle un vistazo al artículo Ver y dejar de ver de esta misma revista donde mi compañera Nadia profundiza sobre ella. Otras cosas como superlentes serían posibles para mejorar la calidad de imágenes en el diagnóstico médico o incluso se teoriza que se podría ver el mundo microscópico con meramente unas gafas de metamateriales. Los metamateriales pueden (¡y ya lo están logrando!) mejorar la eficiencia de los paneles solares al captar y redirigir la luz proveniente del sol para que incida más directamente sobre el panel. Cosas que suenan tan increíbles como agujeros negros artificiales, imitación de la mecánica celeste y simulación de multiversos son ramas de investigación que quedan abiertas. También, por otro lado, tienen aplicaciones en el campo de batalla evidentes. Una capa de invisibilidad podría proporcionar un camuflaje sin precedentes a los soldados, tanto para la vista humana como para sensores infrarrojos.

Toda esta tecnología está todavía en desarrollo, y los límites verdaderamente empiezan a tenerlos la imaginación humana.

Animo al lector a que siga creciendo motivado por la ciencia y sume su granito de arena en el desarrollo de los metamateriales, que como hemos visto prometen cambiar el futuro de todos. ¡Espero que les haya gustado el artículo!