Nuevos metamateriales revolucionarán el campo de la óptica

Los metamateriales hiperbólicos podrían ser próximamente una realidad gracias a los resultados obtenidos en una investigación llevada a cbo por especialistas de la Purdue University de Estados Unidos. Esto significaría una verdadera revolución en el terreno de las aplicaciones ópticas, permitiendo el desarrollo de microscopios más avanzados y de dispositivos más eficaces en el campo de la informática y la energía solar, por ejemplo.

Según los responsables de la investigación, se ha logrado crear esta clase de metamateriales sin el tradicional agregado de plata o de oro, haciendo más sencillo y económico el proceso. Los resultados de este trabajo se han difundido a través de una nota de prensa de Purdue University, y también se han desarrollado en un artículo recientemente publicado en el medio especializado Proceedings of the National Academy of Sciences.

Alexandra Boltasseva, profesora asistente de ingeniería eléctrica e informática en Purdue University y una de las líderes de la investigación, señaló que el uso de oro y plata ha retrazado la aplicación industrial de los metamateriales hiperbólicos, debido a los altos costes y a la incompatibilidad con los procesos de fabricación de semiconductores.

Al mismo tiempo, los metales no transmiten la luz de manera eficiente, haciendo que gran parte de ella se pierda. Los investigadores de Purdue University han sustituido los metales por múltiples capas de óxido de cinc y aluminio, desarrollando un enfoque completamente nuevo para la creación de metamateriales ópticos, que ofrece ventajas importantes.

Microscopios ultrapotentes

En líneas generales, los metamateriales hiperbólicos están conformados habitualmente por capas de metal separadas por un material dieléctrico. Ahora, los ingenieros a cargo de esta investigación han creado un nuevo metamaterial constituido por 16 capas alternas de aluminio y óxido de zinc.

El nuevo enfoque no sólo aporta un mayor rendimiento, sino que también es compatible con los semiconductores empleados en la actualidad. La lista de posibles aplicaciones de estos metamateriales hiperbólicos incluye el desarrollo de microscopios ópticos diez veces más potentes que los utilizados actualmente.

Gracias a este adelanto, los nuevos microscopios serían lo suficientemente precisos como para permitir observar objetos tan pequeños como el ADN. Además, los metamateriales servirían para producir sensores avanzados; colectores solares más eficientes, aplicaciones para computación cuántica y dispositivos de seguridad.

Boltasseva expresó que este hallazgo permite optimizar las propiedades ópticas de los metamateriales, un avance que podría acelerar su comercialización. Asimismo, el ajuste de las propiedades también incluiría una funcional capacidad de cambio, marcando el comienzo de una nueva clase de metamateriales capaces de transformarse en hiperbólicos y no hiperbólicos a través de un simple interruptor.

Metamateriales con función dual

Con estas características ya desarrolladas en su máxima expresión, podría nacer una nueva familia de dispositivos con la propiedad de ser dieléctricos o metálicos al mismo tiempo, variando su condición con una sencilla aplicación. Esto daría lugar a grandes cambios en la funcionalidad de los dispositivos ópticos.

Los avances obtenidos mediante la combinación del aluminio y el óxido de zinc permiten que los metamateriales se comporten como un metal en ciertas longitudes de onda y como un material dieléctrico en otras longitudes de onda. En el mismo sentido, las condiciones de los nuevos metamateriales permitirían captar mayores dosis de luz, facilitando el desarrollo de una nueva generación de dispositivos para aplicaciones de energía solar.

Las actuales tecnologías ópticas se encuentran limitadas en este punto, debido a que para controlar eficazmente la luz los componentes deben superar el tamaño de las longitudes de onda de la luz. Los nuevos metamateriales son capaces de guiar y controlar la luz en todas las escalas, incluyendo la escala nanométrica.

A diferencia de los materiales naturales, los metamateriales son capaces de reducir el índice de refracción a valores mínimos. Cada material tiene su propio índice de refracción, que define por ejemplo el grado de disminución de la velocidad de la luz al pasar a través del mismo. Los nuevos metamateriales logran que el índice de refracción oscile entre cero y uno, lo que posiblemente permitirá nuevas aplicaciones, incluyendo las hiperlentes necesarias para incrementar la potencia de los microscopios.