La realidad de la refracción negativa.


Uno de los fenómenos fundamentales en óptica es la refraccion.Cuando un rayo de luz cruza la interfase entre diferentes materiales, su dirección es alterada y este cambio depende de los índices de refracción de los materiales, por donde circula el rayo. Cuanto mas grande es la diferencia de los índices de refracción, mayor será la refracción del rayo.

En todos los materiales conocidos  este fenómeno se traduce como refracción positiva.

Victor Veselago, en un articulo publicado en 1967,  propuso las consecuencias de una interacción de las ondas electromagnéticas  con un hipotético material que posee una constante dieléctrica eléctrica, ε, y una permeabilidad magnética, µ, simultáneamente negativa, como ningún material o compuesto natural posee estas características, Veselago se preguntaba si esta asimetría evidente en las características de los materiales se cumplía, o quizás tenía un origen más fundamental. Veselago concluyó que tales materiales serian posibles y si se descubren, exhibiría características notables que modificarían todos los fenómenos electromagnéticos.  ¿Entonces porqué no hay materiales con ε y µ negativos?

 

Primero necesitamos entender que significa tener ε o µ negativo, y cómo se manifiestan en la materia. El modelo de Drude-Lorentz es un buen punto de partida, como substituye conceptualmente los átomos y las moléculas de la materia real por un sistema de osciladores, donde los electrones forman parte del sistema, resonando a una frecuencia ωo.

A una frecuencia debajo de ωo , un campo eléctrico aplicado a dicha materia, desplaza los electrones del núcleo positivo, induciendo una dolarización en la misma dirección que el campo eléctrico, a frecuencias cercanas a la resonancia, la polarización inducida se hace muy grande, como en el caso del fenómeno de resonancia, la gran respuesta representa la acumulación de energía en varios ciclos, tal cantidad de energía se acumula en el resonador relativo al campo excitador. Tan grande es esta energía acumulada que aun el cambio de signo del campo eléctrico aplicado tiene un pequeño efecto en la polarización cerca de la resonancia, si la frecuencia del campo excitador se varia a través de la resonancia, la polarización cambia bruscamente de estar en fase a no estar con el campo excitador y el material exhibe una respuesta negativa, si en lugar de los electrones la respuesta del material fuera debido a un momento magnético armónico, entonces habría una respuesta negativa magnética.

Aunque menos común que los materiales con características positivas, los materiales negativos no obstante se pueden encontrar en la naturaleza, materiales con ε negativos incluye los metales tales como la plata, el oro y el aluminio, a frecuencias ópticas, mientras que materiales con µ negativo, incluyen resonancia ferromagnética o sistemas antiferromagneticos.

Que los materiales con parámetros negativos ocurran cerca de la resonancia tiene dos consecuencias importantes, primero los materiales con parámetros negativos exhibirán una dispersión de frecuencia, segundo, el ancho de banda de estos materiales será estrecho comparado con los materiales de parámetros positivos. Esto nos puede ayudar sobre la pregunta inicial, porque los materiales con ε y µ  negativos no se encuentran. La resonancia en los materiales existentes, que aumentan la polarización eléctrica, típicamente ocurren a muy altas frecuencias, en frecuencias ópticas, para los metales, en el rango del tera hertz THz a las regiones del infrarrojo para semiconductores y aisladores, por el contrario los sistemas de resonancia magnética ocurren a baja frecuencia, es decir los fenómenos electrónicos y magnéticos no ocurren en el mismo rango de frecuencia.

 

Los meta materiales.

Por los años 1990, los investigadores comenzaron a pensar la posibilidad de fabricar estos materiales para mejorar la respuesta electromagnética. Para realizar estos materiales se repiten elementos diseñados para que posean una fuerte respuesta a los campos electromagnéticos, a medida que el tamaño y el espacio que ocupan se reduce en comparación con la longitud de onda de la radiación electromagnética de interés, esta radiación incidente no distingue entre esta colección de elementos de un material homogéneo, entonces conceptualmente podemos reemplazar este sistema no homogéneo por un material continuo con propiedades de ε y µ  determinadas. A baja frecuencia, los conductores son excelentes candidatos, para fabricar estos materiales.

Un meta material con las características del modelo Drude Lorentz, es un conjunto de elementos de alambre los cuales son cortados periódicamente, la constante dieléctrica efectiva para estos sistemas, esta dado por,

la frecuencia de plasma wp y wo que es la frecuencia de resonancia y están determinados por la geometría de la estructura, a frecuencia superiores a wo  y debajo de  wp, la constante dieléctrica efectiva es negativa y debido que la frecuencia de resonancia se puede establecer en cualquier valor en un meta material, los fenómenos usualmente asociados a las frecuencias ópticas que incluyen un  ε negativo se pueden reproducir a bajas frecuencias.

Para realizar una respuesta magnética de los conductores el método es algo diferente, de la definición del momento de un dipolo magnético, la respuesta magnética se puede obtener induciendo una circulación de una corriente en un lazo cerrado, una corriente solenoidal, mas aun si se produce el fenómeno en forma de resonancia en el elemento se produce una fuerte respuesta magnética que puede llevar a un µ negativo.

En 1999, Pendry propuso una variedad de estructuras, que consisten en lazos o tubos conductores con un recorte, de un punto de vista circuital, un campo magnético variable induce una fuerza electromotriz en el plano del elemento por el que circulara una corriente por el conductor. Un recorte en el plano de la estructura introduce una capacidad en el circuito planar que puede llegar a resonar a una frecuencia dada por la geometría del mismo, este anillo resonador cortado, split ring resonador SRR, en su diversidad de formas puede ser visto como un meta material equivalente a un átomo magnético.

Los materiales mostrados en la ultima foto se usan en experimentos, para determinar si el mismo es transparente u opaco, el cual indica el signo del parámetro del material, cada unidad tiene 5 mm de ancho. 

 

 

 

En el año 2000, físicos de la universidad de California en San Diego experimentaron con una clase de material compuesto que posee un nuevo comportamiento electromagnético.

Usando una combinación de anillos de cobre y  alambres, que fueron depositados en un substrato, crearon un sistema con inusuales propiedades electromagnéticas. Estos meta materiales  poseen un índice de refracción negativa y en el 2001 se realizo un experimento que confirma que un rayo de radiación electromagnética en la frecuencia de las microondas produjo el fenómeno de refracción negativa.

Utilizando el sistema que aparece en la anterior fotografía los científicos de la Universidad de California, observaron que las microondas emergen en sentido contrario a lo que predice la ley de Snell, que describe el ángulo de refracción producido al cambiar la velocidad de la luz cuando atraviesa agua, vidrio o cualquier material, al medir el cambio de la dirección de la luz, las microondas y cualquier otra radiación a través del material se mide el índice de refracción, cuanto mayor sea este valor, mas lenta será la velocidad a través del mismo y mas se torcerá o cambiara la dirección, cuando se pasa de un material a otro, por ejemplo el aire tiene un índice de 1.0, el agua de 1.3 y el vidrio de 1.5, cuando se pasa del aire al agua, o al vidrio, el rayo se desvía, este fenómeno permite hacer lentes para enfocar la luz.

La radiación electromagnética pasando a través de estos materiales siempre se desvían en la misma dirección de acuerdo a su índice de refracción que es positivo, pero utilizando este nuevo meta material el rayo se desvía en dirección opuesta con índice de refracción negativo. John Pendry propuso que con estos nuevos materiales  se pueden hacer lentes perfectos, esto es debido estos lentes no estarían limitados por el limite de difracción, una condición que ocurre en los lentes comunes al enfocar la luz en toda su superficie en un pequeño punto.

Estos sistemas se fabrican de la siguiente manera, es básicamente un anillo del cobre partidos que forman los resonadores y un alambre, en rojo, montados en un substrato de fibra de vidrio y se distribuye espacialmente como se muestra en la siguiente figura,

 

 

 

 

 

 

 

Referencias.

 

PHYSICISTS VERIFY REVERSAL OF SNELL'S LAW IN 'LEFT-HANDED' COMPOSITE MATERIAL

 

Effect of disorder on magnetic resonance band gap of split-ring resonator structures

 



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