Metatrónica: reemplazan la electricidad con luz

El mundo en que vivimos es fruto, en gran medida, de los avances que se han producido en el ámbito de la ingeniería eléctrica. La capacidad de controlar con precisión el flujo de cargas eléctricas mediante circuitos cada vez más pequeños y complejos es clave en todos los avances que vemos a diario. Si los investigadores de la Universidad de Pennsylvania tienen éxito, se producirá un enorme salto en este campo, ya que están trabajando en metamateriales capaces de proporcionarnos circuitos en los que la electricidad será reemplazada por la luz. Esta nueva tecnología se llama metatrónica y podría ser clave para construir circuitos mucho más pequeños, rápidos y eficientes.

Nader Engheta, profesor del departamento de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania, está trabajando para crear los materiales que podrían cambiar la electrónica del futuro. El cambio, de producirse, sería radical: dejaríamos de utilizar cargas eléctricas para comenzar a utilizar cuantos de luz. Tan diferente serán esos circuitos, que en lugar de hablar de “electrónica” estaremos hablando de metatrónica, término que hace referencia a los metamateriales en los que se basa. “Cuando se analiza el éxito que ha tenido la electrónica a lo largo del siglo pasado es lícito preguntarse si existe un motivo para que nos limitemos a la utilización de la electricidad”, dice Engheta. “Si fuésemos capaces de utilizar longitudes de onda más cortas podríamos construir circuitos más pequeños, más rápidos y más eficientes.” Los circuitos que empleamos en la construcción de nuestros dispositivos emplean diferentes arreglos y combinaciones de circuitos electrónicos, capaces de realizar funciones que van desde el equivalente de simples interruptores a las necesarias para construir un superordenador. Componentes como los resistores, inductores, capacitores y transistores se encargan de manipular el flujo de electrones que fluyen por el circuito con precisión matemática.

Ahora, desde el punto de vista físico, las ecuaciones de Maxwell (fórmulas que describen el comportamiento de los campos electromagnéticos) se pueden aplicar tanto a la electricidad como a la luz, por lo que Engheta comenzó, junto a sus alumnos, a trabajar en el desarrollo de circuitos capaces de funcionar con luz. En 2005 publicaron un artículo que explicaba como podrían funcionar los circuitos ópticos. Siete años más tarde han conseguido construir un prototipo funcional que demuestra que su idea puede funcionar. El equipo de Engheta, entre los que se encuentran Yong Sun, Brian Edwards y Alu Andrea, ha bautizado esta tecnología con el término “metatrónica” (“metatronics“) y publicado un nuevo artículo en la revista especializada Nature Materials. Los ingenieros suelen tratar a los componentes electrónicos como una “caja negra”, un dispositivo ideal en el que los niveles de sus salidas son determinadas exactamente por los valores presentes en sus entradas. Esto les permite diseñar sus equipos sin tener que preocuparse por lo que está ocurriendo dentro de  cada una de las partes que lo componen. En el campo de la óptica tenemos “componentes” macroscópicos, como lentes, guías de onda y rejillas, que pueden ser tratados como “cajas negras” pero que  tienen un tamaño tan grande que resulta muy poco práctico construir “circuitos” con ellos. Pero la nanotecnología, una rama relativamente reciente de la ciencia que nos permite ensamblar piezas a partir de átomos sueltos, nos permite diseñar los elementos necesarios para elaborar circuitos ópticos con dimensiones que se miden en nanómetros.

En el caso del experimento del grupo de Engheta, se ha trabajado con una estructura con una forma similar a la de un peine construido a partir de nanopilares rectangulares de un metamaterial denominado nitrito de silicio. Estas estructuras permiten manipular las ondas de formas que antes eran imposibles. Las secciones transversales de estas y las lagunas que se forman entre ellas constituyen un patrón que reproduce las funciones que en un circuito electrónico poseen las  resistencias, inductores y condensadores, los tres componentes electrónicos más simples. “Esto nos permite  utilizar diseños similares a lo que empleamos en la electrónica, pero capaces de funcionar con luz“, explica Engheta. A lo largo de sus experimentos utilizaron ondas de luz dentro del rango del infrarrojo, pero teóricamente pueden funcionar con longitudes de onda más cortas. Este trabajo recibió el apoyo de la Oficina de la Fuerza Aérea de los EE.UU., lo que demuestra el interés gubernamental existente en este tipo de proyectos.