La "capa de invisibilidad" de la capa de invisibilidad

En el mundo mágico de "Harry Potter", Dumbledore, el director de la escuela de magia, le regaló a Harry una capa mágica de invisibilidad. En el mundo real, puede que no pase mucho tiempo antes de que podamos recibir este misterioso regalo de los científicos.

Investigadores de la Universidad de California, Berkeley, recientemente dieron un paso más hacia el sueño de una "capa de invisibilidad".

Este equipo de investigación, dirigido por el profesor chino Zhang Xiang, ha desarrollado con éxito un nuevo material tridimensional que puede desviar la luz al pasar, "desapareciendo" misteriosamente. Por ejemplo, cuando el agua pasa sobre una piedra, el agua fluye alrededor de la piedra y continúa hacia adelante como si no hubiera encontrado la piedra.

La llegada de los metamateriales

El material desarrollado por Zhang Xiang y sus colegas es capaz de cambiar la dirección de propagación de la luz debido a su propiedad de "refracción negativa". Por el contrario, todos los materiales naturales tienen un índice de refracción positivo.

El proceso de refracción se puede ilustrar con esta ilustración clásica: la parte del palillo insertado en el agua parece estar doblada hacia la superficie del agua. Si el agua presenta refracción negativa, la parte sumergida de los palillos parecerá haber saltado fuera del agua. Podemos ver un efecto similar si reemplazamos los palillos por un pescado.

Dado que los materiales naturales no pueden conseguir la "refracción negativa", los científicos han pensado en desarrollar artificialmente un tipo de metamateriales. Al diseñar artificialmente la estructura de los materiales, podemos obtener funciones materiales extraordinarias que exceden las propiedades ordinarias inherentes a la naturaleza.

El desarrollo teórico y experimental de los metamateriales dio origen directamente a la investigación sobre las "capas de invisibilidad". A principios de 2006, el profesor John Pendry del Imperial College de Londres propuso la viabilidad de una "capa de invisibilidad" que permitiera que la luz pasara por alto los objetos, haciéndolos así invisibles. A finales de ese año, Pandri, junto con científicos como David Schurig y David Smith de la Universidad de Duke en Estados Unidos, demostraron conjuntamente un metamaterial.

En los últimos dos años, los metamateriales se han convertido gradualmente en un foco de investigación internacional.

Sin embargo, la magia de los metamateriales que han ideado los científicos es todavía muy limitada: sólo han conseguido una única capa de materiales bidimensionales, y la propiedad de "refracción negativa" sólo aparece en el microondas. rango. Para la luz con longitudes de onda más cortas, como la luz visible a la que está adaptado el ojo humano, no se puede hacer nada. En otras palabras, estos metamateriales aún no pueden convertirse en una "capa de invisibilidad" que desaparezca frente a esas personas.

La desaparición de la luz visible

El equipo de investigación liderado por Zhang Xiang ha llevado la investigación sobre metamateriales y "capas de invisibilidad" un paso más allá.

Este equipo de investigación publicó artículos en la versión online de la revista Nature el 13 de agosto y en la revista Science el 15 de agosto, informando sobre dos métodos de síntesis de metamateriales.

En el artículo de "Nature", el equipo de investigación describió un metamaterial tridimensional con forma de "rejilla". Apilaron capas alternas de plata conductora y fluoruro de magnesio no conductor y excavaron patrones de red de tamaño nanométrico (el diámetro de un cabello humano equivale aproximadamente a 100.000 nanómetros) entre las capas.

El metamaterial tridimensional obtenido por investigadores de Berkeley, la izquierda es un diagrama esquemático de la estructura y la derecha es una imagen bajo un microscopio electrónico de barrido.

De esta forma, se produce refracción negativa en el rango de longitudes de onda de hasta 1500 nanómetros, es decir, rayos infrarrojos cercanos. Los investigadores explican que se forma un bucle de corriente entre cada par de capas conductoras adyacentes, y el apilamiento alterno crea una serie de bucles que se utilizan para desviar la luz en respuesta al campo magnético generado por la luz incidente.

En el artículo de Science, los investigadores adoptaron un enfoque diferente. Este metamaterial está formado por nanocables de plata incrustados en alúmina porosa, que pueden provocar una refracción negativa de la luz roja (luz visible) a bandas infrarrojas con longitudes de onda no superiores a 660 nanómetros.

Esta es también la primera vez que los científicos logran una "refracción negativa" en la banda de luz visible.

Zhang Xiang dijo a los medios: "Utilizamos dos métodos completamente diferentes para crear una gran pieza de metamaterial que exhibe refracción negativa en un rango de espectro de longitud de onda relativamente amplio, y la pérdida de energía es pequeña, avanzando hacia lo práctico La aplicación de metamateriales ha dado un paso adelante."

¿Hasta dónde está el "manto de invisibilidad"?

Entonces, ¿cuándo podremos ponernos la “capa de invisibilidad”?

Para lograr realmente la "invisibilidad", es teóricamente necesario lograr una refracción negativa para todas las bandas de luz visible, pero los científicos actualmente no pueden lograrlo.

Yao Jie, miembro del equipo de investigación de Zhang Xiang y uno de los principales autores del artículo "Science", dijo a los periodistas de Caijing que, aunque estas dos tecnologías han tenido éxito, todavía quedan algunos problemas por lograr. invisibilidad a la luz visible. Dificultades técnicas. El metamaterial en el que participó está incrustado con nanocables de plata en alúmina porosa, además de la luz roja, no funciona para otras longitudes de onda de luz como la luz azul. “Diferentes luces tienen diferentes condiciones de desviación, por lo que tenemos un problema importante. a afrontar en el próximo trabajo de investigación. "

Por supuesto, la banda de longitud de onda de la luz, u ondas electromagnéticas, es extremadamente amplia. Incluso si es invisible en todas las bandas de luz visible, "desaparecerá". delante del ojo humano la banda no puede ser invisible y aún puede detectarse por otros medios.

Lograr la invisibilidad en la banda de longitud de onda requerida es solo uno de los muchos problemas a los que los científicos deben enfrentarse.

Por ejemplo, Yao Jie dijo que con la tecnología actual, "no hay manera de hacer metamateriales de luz visibles con un área más grande". Esto significa que todavía no es posible producir metamateriales a gran escala, ni darles la forma deseada. Los "metamateriales masivos" que los investigadores de Berkeley pueden crear actualmente tienen, como máximo, un tamaño de unos pocos milímetros cuadrados.

Además, este metamaterial está fabricado en metal y es muy fácil de romper.

Por tanto, es difícil predecir cuándo la "capa de invisibilidad" se hará realidad.

De hecho, lanzar una "capa de invisibilidad" no es el objetivo principal de los científicos que estudian los metamateriales. En campos como la nanoimagen y la industria de semiconductores, es más probable que los metamateriales desempeñen un papel más directo. Por ejemplo, se espera que el uso de metamateriales produzca componentes semiconductores más pequeños y precisos y, al mismo tiempo, reduzca los costos de producción.

Quizás los más interesados ​​en la investigación de metamateriales sean los militares. En comparación con la vida diaria, la necesidad militar de tecnología sigilosa es más urgente.

Se entiende que la investigación de los científicos de Berkeley no solo ha recibido financiación de la Fundación Nacional de Ciencias, sino que también ha recibido financiación para proyectos del ejército estadounidense.