El desarrollo de lentes perfectas o ‘superlentes’, capaces de superar las limitaciones físicas que impone el índice de refracción de la luz mediante el uso de tecnología de metamateriales, es uno de los desafíos tecnológicos aún pendientes que más potencial de aplicación podría tener a nivel industrial.

La electrónica de consumo depende de procesos de fotograbado convencionales para dibujar los circuitos integrados cada vez más pequeños que componen los chips, memorias y otros dispositivos. En este campo, una ‘superlente’ podría ser muy útil para mejorar la nitidez de las imágenes grabadas, pero por el momento, aunque existen estructuras de metamateriales capaces de crear imágenes con una resolución inferior a la longitud de onda de la luz (lo que se conoce como índice de refracción negativo), no pueden considerarse ‘superlentes’, ya que no consiguen recoger rayos de todas las direcciones y con cualquier polarización, como haría una auténtica lente.

En la búsqueda de este desarrollo perfecto, un equipo de investigadores de la Universidad Tecnológica de Michigan (MTU), en Estados Unidos, liderado por el profesor Durdu Güney, ha presentado en la revista científica Physical Review B una simulación teórica de una nueva estructura de metamaterial que podría funcionar para longitudes de onda de todo el espectro visible y quizás también en el ultravioleta. “Operar en estas longitudes de onda es esencial para conseguir imagen óptica barata”, afirma Güney.  Para este investigador, sustituir los láseres ultravioleta que se emplean en fotolitografía por otros de luz roja, de mayor longitud de onda, permitiría que todo el mundo pudiera “convertir su casa en un laboratorio y construir sus propios chips”.

Sin embargo, esta versatilidad de operación anunciada por los científicos de la MTU que permitiría teóricamente superar uno de los inconvenientes de los metamateriales (su ancho de banda estrecho, por el que solo funcionan a una longitud de onda muy concreta) debe ser matizada. “Los metamateriales están basados en estructuras resonantes y los resonadores solo funcionan a una frecuencia”, explica Manuel José Freire, profesor del departamento de Electrónica y Electromagnetismo de la Universidad de Sevilla (España), que trabaja en metamateriales para aplicaciones de imagen médica.

La estructura de Güney simula una lámina de oro muy delgada con unas rendijas por encima y por debajo, y permitiría ‘ver’ objetos de hasta 100 nanómetros cuando la luz incide en ella perpendicularmente y con una polarización concreta.  Freire admite que los investigadores podrían estar en lo cierto cuando afirman que son capaces de fabricarla para cualquier longitud de onda del espectro visible, pero recuerda que, una vez creada para una de ellas, dejaría de funcionar para las demás. “Es como fabricar una llave: puedes hacerla para cualquier cerradura,  pero una vez creada, solo sirve para esa”, explica. ”Fabricar una que abra todas las cerraduras es algo muy diferente”, añade.

Para conseguir esta lente ‘maestra’, los investigadores tendrían que encontrar la forma de superponer en el mismo dispositivo estructuras de muchos  tamaños para que cada una interaccionase con una longitud de onda distinta, un reto tecnológicamente complejo y todavía inalcanzado. Otra alternativa, propone Freire, sería buscar una aplicación en la que el ancho de banda estrecho no sea un problema. En su caso, por ejemplo, para obtener imágenes médicas por resonancia magnética trabajan con ondas con una longitud muy determinada.

La aplicación que pretenden ofrecer los investigadores de la MTU consiste en sustituir los costosos y complejos emisores de luz ultravioleta para fotograbado por láseres de luz roja, “como la de uno de estos punteros que usa todo el mundo”, afirma Güney. Además, los microscopios de ultra alta resolución podrían llegar a ser tan comunes para el público como las cámaras en nuestros teléfonos móviles, según señala el investigador.

Aunque estas posibilidades continúan siendo lejanas, Ramón Gonzalo, profesor del departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad Pública de Navarra (España), reconoce que su propuesta aporta “una nueva estructura que puede presentar mejores prestaciones que la que se venía utilizando hasta hora, la llamada fishnet”.

Para Gonzalo la estructura “parece prometedora” y podría llegar a servir al fin para el que ha sido concebida, pero debe superar los importantes retos tecnológicos relacionados con las propiedades inherentes a los metamateriales, como son la pérdida energética, la dificultad que presenta la sintonización de la frecuencia, “que debe hacerse mediante cambios en las dimensiones físicas de la estructura” y los problemas tecnológicos asociados a su fabricación, que pueden condicionar la creación de una ‘superlente’ real.

En opinión de Freire, el dispositivo teórico presentado es “muy preliminar” y tendrá que recorrer un largo camino antes de tener alguna utilidad práctica. Aunque reconoce que la doble resonancia -por campo eléctrico y por campo magnético- propuesta por Güney mejora un poco la calidad de la estructura, considera que esta es “muy difícil de fabricar” y poco útil, ya que solo funciona para una polarización de la luz y además, solo cuando esta incide perpendicularmente.

Por su parte, el equipo de la MTU asegura que una versión isotrópica -en la que sus propiedades físicas no dependen de la dirección- en dos dimensiones “es posible y funciona”, aunque reconoce que la isotropía completa “requiere más diseño y trabajo de fabricación”.

Aunque en un estadio tan temprano es complicado determinar el alcance de esta propuesta, este defecto en concreto no tendría por qué imposibilitar la viabilidad del dispositivo para la fotolitografía. “El hecho de funcionar solo con incidencia normal no es un problema para esta aplicación, aunque sí lo sería para otras”, considera Gonzalo. “Lo mismo ocurre con el funcionamiento para una sola polarización, no parece crítico salvo por una pérdida de potencia.” No obstante, puntualiza que habría que esperar a que la estructura estuviera fabricada y pudiera comprobarse si es capaz de no sufrir mucha distorsión y “enfocar la luz sobre anchos de haz muy cercanos a la longitud de onda de funcionamiento de la fuente emisora“.

La propuesta de Güney es una aportación más al conjunto de rápidos avances que se han producido a lo largo de la última década en el área de la tecnología de metamateriales. De hecho, en febrero del año pasado, un equipo de la Universidad Politécnica de Valencia, en España, liderado por el profesor Javier Martí, diseñó un metamaterial capaz de funcionar para todas las polarizaciones, y en 2005, Science publicó una solución para fotograbar con rayos ultravioleta, propuesta por científicos de la Universidad de California, en Berkeley (EE.UU.), que superaba la resolución que permite la tecnología actual. Estos investigadores utilizaban una estructura fabricada con un metamaterial natural, una lámina de plata muy delgada.

Desde entonces se han inventado varias estructuras artificiales, como la rendija de lámina de oro simulada por los investigadores de Michigan, que podrían perfeccionar la de Berkeley, mejorar sus prestaciones y evitar una de sus grandes debilidades: las pérdidas energéticas. “Esta cuestión puede superase incrustando un medio activo dentro de la lente para compensar las pérdidas”, comenta Güney, aunque reconoce que este sigue siendo el mayor reto en la carrera hacia las lentes perfectas.