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
Enlaces.
