2011

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Aproximación a los metamateriales1. Introducción

Los metamateriales son estructuras artificiales que pueden ser diseñadas para presentar propiedades electromagnéticas especiales y que no son fáciles de encontrar en la naturaleza, es decir, propiedades que proceden de la estructura diseñada y no de su composición (son distintas a las de sus constituyentes: átomos y moléculas) [4]. En un sentido más estricto, hay quien considera un metamaterial a aquél que constituye una estructura periódica, cuya dimensión máxima es menor que la longitud de onda con la que se vaya a trabajar.

Los metamateriales dan lugar a fenómenos físicos extraordinarios como son [2]:

1. Inversión de las Leyes de Snell, que no es más que el rayo de luz incidente no se refracta, como ocurre con la propia luz y por tanto se produce una inversión negativa en la interfase (efecto exótico).

2. Intercambio de los efectos en lentes convexas y cóncavas.3. Inversión del efecto doppler.4. Permitividad eléctrica () y permeabilidad magnética () negativa. En los materiales

convencionales estas dos características del electromagnetismo son magnitudes positivas.

Este tipo de estructuras son materiales artificiales electromagnéticos y funcionales basados en estructuras periódicas y creadas para cumplir determinados requisitos. Como ejemplos de metamateriales existen un amplio número de conceptos modernos, como las estructuras de superficie selectiva en frecuencia (FSS), los materiales electromagnetic/photonic bandgap (EBG/PBG), las estructuras plasma, los medios zurdos llamados en inglés left-handed medium (LHM) cuyas propiedades eléctricas y magnéticas (permitividad () y permeabilidad ()), respectivamente son negativas, los conductores magnéticos artificiales (AMC) o los elementos fractales. En la figura 1 se puede ver un resumen de los diferentes metamateriales que existen.

Figura 1. Esquema de diferentes tipos de metamateriales [6]

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La idea de los “materiales zurdos” (LHMs, Left Handed Materials), se propuso teóricamente por primera vez en 1968, fecha en la que el físico ruso Victor Veselago especulaba con la posible existencia de los LHMs y predecía sus principales propiedades.

Veselago demostraba además, que las ondas electromagnéticas que se propagan por un LHM presentan un antiparalelismo entre la velocidad de grupo y la velocidad de fase, efecto que se conoce como “backward wave”. Este último fenómeno implicaría que mientras la potencia de la señal se aleja de la fuente, los frentes de onda viajarían en sentido contrario, dirigiéndose hacia dicha fuente. Esto se refleja esquemáticamente en la figura 2.

Figura 2. Diagrama en el que se muestran las posibles combinaciones de permitividad eléctrica () frente a la permeabilidad magnética (), y el correspondiente índice de refracción (n) para cada uno de los

cuatro casos. [5]

En el primer cuadrante, el cual corresponde a y positivas, se encuentran los llamados Right-Handed Materials (RHM) o medios diestros, entre los que podemos encontrar por ejemplo los dieléctricos isotrópicos. También se llaman medios transparentes, ya que es posible la propagación a través de estos. Existen otros dos grupos clasificados como Single Negative (SNG), entre los cuales podemos distinguir los que presentan exclusivamente una negativa (ENG) en el segundo cuadrante y los que presentan una negativa (MNG) en el cuarto cuadrante, en los cuales la propagación a su través no es posible. Debido a este motivo, también se les llama medios opacos. Finalmente existen los materiales del tercer cuadrante, los cuales presentan y negativas, y son denominados Left-Handed Materials (LHM) o medios zurdos. La figura 3 nos muestra claramente el concepto de medios zurdos.

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Figura 3. Refracción negativa [7].

La imagen de la izquierda muestra cómo una cuchara en un vaso de agua parece romperse en la interfase aire-agua y luego continúa en el interior del líquido ligeramente desplazada hacia un lado, pero manteniendo la misma orientación que en el aire - de izquierda a derecha en este caso. Esta ilusión óptica se debe al hecho de que el índice de refracción del agua es diferente al del aire - aunque sigue siendo positivo, como en cualquier otro material natural. A la derecha hay una ilustración básica de lo que sucedería al llenar el vaso con un líquido con índice de refracción negativo: la orientación de la cuchara dentro del líquido parece ser diametralmente opuesta a la de la cuchara en el aire, a saber, de derecha a izquierda en lugar de izquierda a derecha.

Habría que esperar treinta años desde el artículo de Veselago hasta que se produjera el siguiente hito en la investigación de los metamateriales. A finales de los 90, Pendry propone una estructura de hilos finos que presentaban permitividad eléctrica negativa y, posteriormente, describe una partícula denominada resonador de anillos cortados (SRR, Split Ring Resonator) que presentaba permeabilidad magnética negativa. En el año 2000, Smith combina los anillos SRR (<0) y los hilos metálicos paralelos (<0) propuestos por Pendry para fabricar la primera estructura LH de la historia (Figura 4).

Aunque en los años siguientes se siguió investigando acerca de las propiedades de los LHMs realizados con SRRs, éstos presentaban la desventaja de tener grandes pérdidas y de funcionar en bandas muy estrechas, lo que dificultaba su uso en aplicaciones de microondas. Para evitar estas desventajas, algunos investigadores propusieron las llamadas líneas de transmisión metamaterial (MM-TL) que no se basan en efectos resonantes, tienen pocas pérdidas y pueden trabajar en una banda ancha de frecuencias.

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(a) (b)

(c) (d)

Figura 4. a) Primer medio zurdo obtenido al combinar periódicamente postes metálicos y resonadores del tipo SRR, b) esfera de Pendry, (c), configuración en array de metamaterial con SRRs y (d) cubo

metamaterial [9]

2. Aplicaciones

La tendencia en la aplicación de estos materiales está dirigida a la construcción de antenas y fabricación de elementos, sistemas o aparatos ópticos. Los metamateriales tienen una gran importancia en los campos de la óptica y del electromagnetismo (especialmente en la óptica y la fotónica). Ellos presentan un considerable potencial para una gran variedad de aplicaciones ópticas y de microondas tales como nuevos tipos de sistemas moduladores, banda de filtros de transición, lentes, acopladores de microondas, y antenas aleatorias. En la figura 5 se puede ver un esquema de las aplicaciones potenciales en estas áreas.

Figura 5. Esquema de aplicaciones de los metamateriales [5]

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El sector de la automoción también se ve potenciado con el uso de los metamateriales. Se cree que estos nuevos tipos de componentes y dispositivos electromagnéticos encontrarán muchos usos en las futuras aplicaciones de la electrónica del automóvil, como se muestra en la figura 6. Se requerirán antenas de barrido electrónico (beam-scanning antennas) de bajo coste y compactas, para los sistemas de radar y sistemas de comunicaciones móviles a futuro. Para los vehículos eléctricos, habrá una gran demanda de nuevos materiales con alto rendimiento magnético para su uso en motores eléctricos y materiales protectores o barrera con alto rendimiento de absorción que se necesitan para asegurar la compatibilidad electromagnética [8]. Por otra parte, los metamateriales fotónicos mejoran mucho el rendimiento de los dispositivos ópticos del automóvil tales como los faros de diodos emisores de luz (LED), sistemas de detección por láser y los sistemas de visión nocturna que utilizan cámaras infrarrojas.

En el laboratorio central de I+D de Toyota se están realizando contribuciones numéricas y experimentales para el diseño de metamateriales y sus posibles aplicaciones a las antenas móviles [8]. Las investigaciones apuntan hacia el diseño de metamateriales y microondas y dispositivos ópticos basados en el análisis electromagnético mediante el método de optimización topológica. Esta técnica parece que llegarán a ser el procedimiento de diseño prometedor para los metamateriales en el futuro. También están trabajando en antenas de fuga de onda (leaky-wave antennas) basadas en metamateriales para los sistemas de radar de ondas milimétricas y pequeñas antenas para comunicaciones móviles. La industria espera que las antenas propuestas encuentren múltiples usos en los dispositivos electrónicos que se utilizarán a futuro en el sector de automoción.

Figura 6. Aplicación de los metamateriales en el sector de la automoción [3, 8]

Dentro de las aplicaciones más novedosas encontramos:

Invisibilidad en determinados rangos del espectro electromagnético. La invisibilidad significa recubrir un objeto con un material especial –metamaterial- de tal manera que la luz se desplace alrededor del objeto, entonces el objeto se hace invisible, sin embargo, hasta el momento solo se ha podido hacer para ondas electromagnéticas con una única frecuencia.

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.

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3) Ventajas frente a las alternativas tradicionales

Las principales ventajas de los metamateriales son:

Tienen propiedades que no se encuentran en materiales presentes en la naturaleza. Como el índice de refracción de luz del metamaterial resulta ser negativo, mientras que

sus constituyentes tienen un índice positivo, se pueden fabricar lentes planas con una resolución mucho mayor que la de los materiales convencionales con índices de refracción positivos.

Con el uso de metamateriales se puede lograr que la luz rodee objetos que estén en su camino, regresando finalmente a su trayectoria original sin ser alterada. Con esta propiedad de los metamateriales pueden diseñarse, en principio, dispositivos de “invisibilidad”.

Otro tipo de metamateriales son las heteroestructuras ordenadas fabricadas con materiales de propiedades acústicas distintas. Estos metamateriales acústicos o también conocidos como fonónicos, pueden poseer simultáneamente densidad y módulo de volumen efectivos de signo negativo, en contraste con los materiales naturales cuya densidad y módulo de volumen nunca son negativos.

4) Referencias

[1] María Ester Onell. Comportamiento de metamaterial (LHM) y convencional (RHM) en nanoestructuras cilíndricas (nanotubos). Revista chilena de ingeniería, vol. 17 Nº 2, 2009, 151-157

[2] Jorge Félix Valiente Márquez, Ubaldo Socarrás Ferrer. Un caso de estudio en la Alerta y Vigilancia Tecnológica: Los Metamateriales.

[3] Kazuo Sato. Research Trends in Metamaterials. R&D Review of Toyota CRDL Vol. 40 No. 2

[4] Óscar Alberto García Pérez. Estudio de circuitos activos con estructuras metamateriales. PFC Universidad Carlos III de Madrid, 2007.

[5] Andrés García Aguilar. Análisis, diseño y prototipado de una lente plana basada en estructuras metamateriales para antenas. PFC Universidad Politécnica de Madrid, 2008.

[6] José-Manuel Fernández González. Aplicación de estructuras metamateriales en el diseño, análisis y prototipado de antenas planas. Tesis doctoral, Universidad Politécnica de Madrid, 2008.

[7] Giorgio Volpe. Magical Metamaterials. Optics & Photonics Focus, Vol. 6 Story 6, 31/8/2009.

[8] Kazuo Sato. Metamaterials and Automotive Applications. R&D Review of Toyota CRDL Vol. 41 No. 4

[9] José Alexandre Valcárcel. Diseño de inversores de impedancias de microondas compactos basados en metamateriales: aplicación a divisores de potencia. PFC, Universidad Autónoma de Barcelona, 2008.

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