Nuevas lentes basadas en metamateriales

Los metamateriales son, valga la redundancia, materiales artificiales que presentan propiedades electromagnéticas inusuales, las que resultan de la conjunción de los elementos empleados en su composición y son absolutamente disímiles con las características individuales de cada material que integra la composición final. Los metamateriales tienen una gran importancia en los campos de la óptica y del electromagnetismo. Muchos estudios que se llevan a cabo hoy en día van orientados al diseño de nuevos materiales capaces de tener un índice de refracción ajustable, es decir, la creación de “superlentes” que mejorarían drásticamente la calidad de las imágenes para el diagnóstico médico y otros usos orientados hacia otros espacios dentro del espectro electromagnético, además de la óptica tradicional y aplicable a la visión humana. Ingenieros de la Universidad Duke han dado un gran paso hacia este logro gracias a la utilización de los metamateriales.

Ingenieros de la Universidad Duke han creado una nueva generación de lentes electrónicas que podría mejorar de manera significativa las capacidades de las telecomunicaciones o de los sistemas de radar, proporcionando un amplio campo visual y un nivel de detalle mayor que el posible hoy en día. La lente que han diseñado no se parece a una lente como las que conocemos. Mientras que las lentes tradicionales se fabrican con sustancias transparentes como el vidrio o el plástico, y poseen superficies muy pulidas, la nueva lente se parece más a una persiana en miniatura. A pesar de esto, su capacidad de controlar la dirección de los rayos electromagnéticos que pasan a través de ella supera de manera asombrosa a la de una lente convencional.

El desarrollo de tan singular lente ha sido posible gracias a la capacidad de fabricar los exóticos materiales compuestos conocidos como metamateriales. El metamaterial empleado para estos experimentos no es una sustancia simple, sino una estructura artificial completa que puede ser manipulada y diseñada por el hombre para que exhiba propiedades que no se encuentran fácilmente en la naturaleza. La lente prototipo, que mide unos diez centímetros de ancho por trece de largo, y menos de tres de espesor, está compuesta por más de 1.000 piezas individuales de material de fibra de vidrio. Este material es el mismo que utilizamos en NeoTeo para la construcción de placas de circuito impreso (PCB) donde hacemos funcionar nuestros desarrollos electrónicos. La distribución precisa de estas piezas en filas paralelas es lo que dirige los rayos según atraviesan la lente.

Durante cientos de años lo fabricantes mundiales de lentes han buscado un material específico que sea capaz de manipular en forma eficiente la estructura de los rayos que atraviesan la lente. El objetivo fundamental siempre ha sido adaptar el volumen y la masa de la lente para ganar la libertad de lograr obtener puntos de enfoque “deseados” dentro de tamaños adaptados según la necesidad de la aplicación. Reconociendo y admitiendo las limitaciones físicas de las lentes tradicionales, los científicos han investigado durante mucho tiempo otras opciones, incluida la que se conoce como GRIN (Gradient Index) y que logra un efecto óptico gracias a la variación gradual del índice de refracción del material empleado en su construcción en lugar de tallar su superficie. Una de las ventajas más importantes de las lentes GRIN en comparación con las lentes clásicas es que las superficies ópticas de las lentes GRIN son planas en lugar de las populares ópticas talladas en forma curva, tal como se conocen en la mayoría de los anteojos o espejos convencionales utilizados en telescopios. Este hecho es muy importante para crear un acoplamiento lumínico de excelente calidad entre la lente y, por ejemplo, una fibra óptica.

La nueva lente basada en metamateriales tiene un amplio ángulo de visión, casi 180 grados, y como su punto focal es plano (flat focal point), se puede usar con tecnologías estándar de obtención de imágenes. Los últimos experimentos han sido efectuados con microondas, y los investigadores creen que es teóricamente posible diseñar lentes para frecuencias más amplias dentro del espectro electromagnético. Si esta novedosa tecnología progresa adecuadamente, una sola lente de metamaterial podría sustituir a los sistemas ópticos tradicionales que requieren de grandes conjuntos de lentes. Además, serían capaces de proporcionar imágenes más claras que las ofrecidas por las lentes convencionales. También se estima que podrían ser usadas en sistemas a gran escala como los conjuntos de radares para dirigir mejor los haces, una tarea que no es posible lograr con las lentes tradicionales, las cuales tendrían que ser tan grandes que ya no resultarían prácticas más allá de su alto costo.