El Laboratorio Ames Busca Hacer De La Ciencia Ficción Una Realidad

modelo de un metamaterial tridimensional

Un modelo de un metamaterial tridimensional. Los científicos del laboratorio Ames desarrollaron un método para evaluar diferentes conductores para su uso en estructuras de metamateriales.

A medida que los investigadores del Laboratorio Ames apuntan a acercar las innovaciones del ámbito de la ciencia ficción a la realidad, desarrollaron un método para evaluar diferentes conductores para su uso en estructuras de metamateriales que pueden conducir a tecnologías con propiedades inauditas.

Los científicos del Laboratorio Ames del Departamento de Energía de EE. UU. Han diseñado un método para evaluar diferentes conductores para su uso en estructuras de metamateriales, que están diseñados para exhibir propiedades que no son posibles en materiales naturales. El trabajo se informó este mes en Nature Photonics.

Los dispositivos de camuflaje que ocultan los aviones del RADAR, los microscopios que pueden ver el interior de una sola celda y las antenas en miniatura que miden solo unos pocos milímetros suenan como partes de una película de ciencia ficción. Pero, en el lapso de la década desde que comenzaron su trabajo, el físico del laboratorio Ames Costas Soukoulis y su equipo de investigación han acercado estas y otras innovaciones del ámbito de la ficción a la realidad.

Metamateriales tienen algunas propiedades fundamentalmente nuevas que pueden permitir muchas aplicaciones nuevas ”, dijo Soukoulis. Por ejemplo, los materiales naturales refractan la luz hacia el lado opuesto de la incidencia normal, mientras que los metamateriales pueden refractar la luz hacia el mismo lado (materiales para zurdos), lo que permite obtener imágenes con una lente plana. Los metamateriales también son capaces de absorber toda la luz que les llega, sin reflejar nada, creando absorbentes perfectos. Los materiales pueden incluso ralentizar la luz. Y lo que hace que estas propiedades sean aún más interesantes es que se pueden ajustar a las necesidades de tecnologías particulares.

“Por lo general, a los científicos de materiales se les presenta un material, determinan sus propiedades y solo entonces se les ocurre un uso para el material. Pero los metamateriales funcionan en la dirección opuesta ”, dijo Soukoulis. “Con los metamateriales, podemos pensar qué tecnología nos gustaría y qué propiedades queremos, quizás propiedades nunca antes vistas, y diseñar los materiales para exhibir esas propiedades”.

Tomemos, por ejemplo, el objetivo de crear dispositivos súper eficientes para recolectar la luz solar en productos de energía solar. Los materiales ideales para un dispositivo de este tipo absorberían el 100 por ciento del espectro solar.

“En metamateriales, podemos diseñar sus respuestas tanto magnéticas como eléctricas”, dijo Thomas Koschny, científico asociado del Laboratorio Ames. “Por lo tanto, podemos controlar la reflexión en la interfaz del metamaterial, lo que no se puede hacer fácilmente en materiales normales. En materiales regulares, particularmente con los tipos de ondas como la luz, los materiales tienen solo una respuesta eléctrica y siempre son reflectantes. Pero, en un metamaterial, podemos organizar las partes del material para que la respuesta eléctrica sea igual a la respuesta magnética, y la superficie esté libre de reflejos y todas las ondas entren en el material “.

Otras posibles aplicaciones son las “superlentes” que nos permitirían utilizar la luz visible para ver moléculas, como ADN moléculas, en detalle y dispositivos que almacenan grandes cantidades de datos de forma óptica. Y existen muchos otros usos potenciales porque, a diferencia de los materiales naturales, los metamateriales pueden diseñarse para trabajar en las frecuencias objetivo, al menos en principio, desde las radiofrecuencias hasta la luz visible.

Pero con un potencial tan grande también vienen varios desafíos, algunos de los cuales el equipo de Soukoulis ya ha logrado un progreso significativo hacia el cumplimiento. En 2006, los investigadores fueron los primeros en fabricar un metamaterial zurdo, uno con un índice de refracción negativo, en ondas muy cercanas a la luz visible. En 2007, el grupo diseñó y fabricó el primer metamaterial zurdo para luz visible, y recientemente fabricaron metamateriales quirales que tienen una actividad óptica gigante.

Otro desafío es reducir las pérdidas de energía en los metamateriales. La energía se pierde por conversión a calor en sus componentes metálicos. En los resultados publicados en Nature Photonics este mes, Soukoulis y su equipo evaluaron una variedad de materiales conductores, incluidos grafeno , superconductores de alta temperatura y óxidos conductores transparentes.

“El grafeno es un material muy interesante porque es solo una átomo de espesor y sintonizable, pero desafortunadamente no conduce la corriente eléctrica lo suficientemente bien como para crear un metamaterial óptico a partir de él ”, dijo Philippe Tassin, investigador asociado postdoctoral en el Laboratorio Ames. “También pensamos que los superconductores de alta temperatura eran muy prometedores, pero descubrimos que la plata y el oro siguen siendo los mejores conductores para su uso en metamateriales”.

Si bien ni el grafeno ni los superconductores solucionarán inmediatamente las pérdidas en los metamateriales, el trabajo de Soukoulis proporciona un método para evaluar futuros candidatos para reemplazar el oro o la plata que ayudará a aprovechar el enorme potencial de los metamateriales.

“Los metamateriales pueden ayudar a resolver los problemas energéticos que enfrenta Estados Unidos”, dijo Soukoulis. “No hay escasez de nuevas ideas en el campo de los metamateriales, y estamos ayudando a avanzar en la comprensión de la física básica, la física aplicada y las posibles aplicaciones de los metamateriales”.

La investigación fue financiada por la Oficina de Ciencias del DOE.

Imagen: Laboratorio Ames

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