Materiales zurdos, imaginación y realidad

Recientemente, la revista Science, editada por la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia, y el Instituto de Física del Reino Unido, han publicado sus listas con los 10 descubrimientos más importantes de 2003. Uno de ellos es la confirmación, tras dos años de debate científico, de la existencia de refracción negativa en cierto tipo de materiales compuestos artificiales, denominados metamateriales.

En 1967 el físico ruso V. G. Veselago especuló sobre el comportamiento de la luz y otras ondas electromagnéticas en un medio hipotético cuyo índice de refracción fuera negativo. Tal material lo denominó zurdo en alusión a la orientación de los campos eléctrico y magnético respecto de la propagación de la onda luminosa. Esta situación no existe en ningún material natural conocido. El índice de refracción de una sustancia es una medida de la disminución de la velocidad de la luz en la misma con relación a su valor en el aire, considerándose así una cantidad positiva. Como consecuencia, un rayo de luz se tuerce, esto es se refracta, al penetrar en el material. Este efecto es responsable de muchos fenómenos ópticos, y del funcionamiento de lentes y prismas. Se observa, por ejemplo, en una varilla que aparenta doblarse al introducirse inclinada en un líquido. Si el índice fuera negativo, la luz se refractaría en tal material al revés que en uno corriente.

Dadas las dificultades para fabricar materiales con esas extrañas características, la idea durmió hasta que en 1999 el físico británico J. B. Pendry ideó un metamaterial que se comportaría como zurdo para las microondas. Además, propuso que una lámina de ese material, con índice de refracción inverso al del aire, sería una lente perfecta que enfocaría la luz proveniente de un objeto, formando su imagen al otro lado de la misma con detalle en principio ilimitado, y como si dicho objeto estuviera situado en su interior. Esta precisión, (denominada resolución), de un instrumento óptico convencional, está limitada por la longitud de onda de la luz; de ahí que la sugerencia de hacer tales superlentes realidad por medio del mecanismo de refracción negativa, se convirtiera en una idea revolucionaria de gran interés por su potencial impacto en microscopía y litografía.

En 2001, investigadores de la Universidad de California en San Diego fabricaron una estructura, constituida por una red ordenada de pequeños anillos e hilos de cobre implantados en fibra de vidrio, y comunicaban la primera observación de refracción negativa en frecuencias próximas a 10 gigahercios. Sin embargo, Nicolás García y el autor en el CSIC, e independientemente, físicos de la Universidad de Tejas en Austin, demostraron en 2002 la enorme absorción y dispersión de las microondas en esos metamateriales concebidos hasta entonces, lo que daría al traste con su utilidad, poniendo en duda la correcta interpretación de los experimentos. Además, establecimos que las propuestas superlentes o bien violan el principio de conservación de la energía o su efecto es fácilmente destruido por la absorción. Todo ello generó un debate y una intensificación de esfuerzos para detectar estos fenómenos sin ambigüedad; hasta que en 2003, un equipo de Boeing Corporation, e independientemente, físicos de la Universidad de Harvard y del Instituto Tecnológico de Massachussets han realizado nuevos experimentos, confirmando para convencimiento de muchos, aunque no de todos, el efecto de refracción negativa, a pesar de la absorción. Otros grupos investigan ahora las críticas condiciones para la obtención de enfoque y su extensión a mayores frecuencias, incluyendo la luz visible.

No obstante su indudable valor conceptual, el tiempo dirá si los formidables retos originados por las limitaciones de los actuales materiales zurdos los permiten evolucionar hacia aplicaciones tecnológicas.

Manuel Nieto Vesperinas es profesor de investigación en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC).