Los metamateriales interactúan con la luz en modos que parecen violar las leyes de la física. Pueden torcer la luz alrededor de un objeto como si no estuviera, o reducir la resolución de un microscopio óptico a sólo unos nanómetros. Pero los metamateriales deben estar estructurados a conciencia a micro escala y a nanoescala para lograr estos efectos exóticos. Ahora el investigador de la Duke University que creó la primera capa de invisibilidad en 2006 creó software que acelera el diseño de los metamateriales. Sus colegas y él utilizaron un programa para crear un manto complejo y liviano que es invisible para un amplio espectro de luz de microonda, y lo hicieron en casi tan sólo 10 días.

David R. Smith de la Duke, y Tai Jun Cui de la Southeast University, en Nanking, China, dirigieron el trabajo, que es un hito en el campo de los metamateriales. El manto que crearon los investigadores trabaja con ondas de longitud de luz que va desde alrededor de 1 a 18 giga hertzios, una franja tan amplia como el espectro visible. Hasta ahora nadie creó un dispositivo de ocultamiento que funcione dentro del espectro visible, y los metamateriales que se fabricaron tienden a trabajar solamente con franjas de luz estrechas. Pero un manto que hiciera que el objeto fuera invisible a la luz de un color tampoco sería demasiado útil. De modo similar, un dispositivo de ocultamiento no puede tener fallas: si sólo deja que un poco de luz se refleje en el objeto que se supone que debe ocultar, ya no es efectivo. El manto que Smith construyó tiene una imperfección mínima, y es exitoso para redirigir casi toda la luz que lo alcanza.

“Su manto es la respuesta a los agoreros que dijeron que los mantos serían imperfectos y que servirían para bandas muy estrechas”, expresa John Pendry, director de física teórica del estado sólido en la Imperial College London. Pendry realizó el trabajo teórico sobre el cual están basados tanto el primer manto de invisibilidad como el segundo. “De más está decir que estoy encantado con esta creación”, dice Pendry. Él y su colega de la Imperial College, Jensen Li propusieron una versión teórica de un manto de amplio espectro el año pasado, y él dice que, en ese momento, “no esperaba un progreso experimental tan rápido”.

El manto de amplio espectro es una estructura rectangular que mide alrededor de 50 por 10 centímetros, con una altura de alrededor de 1 centímetro. Está elaborado con alrededor de 600 estructuras de cobre con forma de I. Smith dice que hacer cada estructura es una cuestión simple. “Son diseños de cobre cortados y dispuestos sobre un tablero de circuitos. Es una tecnología muy conocida y barata”. La parte difícil es determinar las dimensiones de cada una de las 600 estructuras y cómo disponerlas. Con el primer manto, que sólo tenía 10 de estas piezas, “tuvimos que diseñar cada elemento con simulaciones numéricas”, dice Smith. Se hubiera necesitado de varios meses para aplicar el mismo método a un manto más complicado.

Hasta para los físicos y los ingenieros, las matemáticas involucradas en el diseño teórico de los dispositivos de ocultamiento es muy complicado, comenta Nicholas Fang, un profesor de ciencia mecánica e ingeniería en la University of Illinois en Urbana-Champaign. Se tiene en cuenta el modo en que el material interactúa con los componentes eléctricos y magnéticos de la luz para determinar el tamaño, forma y orientación de cada estructura realizada con el metamaterial. El trabajo teórico de Pendry y Li describía cómo crear un manto de amplio espectro utilizando materiales estructurados para que tengan una respuesta eléctrica a la luz, pero no una respuesta magnética. Pero lo que no era claro era cómo pasar de esta idea a la práctica. Los investigadores de la Southeast University desarrollaron algoritmos nuevos para agilizar mucho el proceso, dice Smith. Estos algoritmos permiten predecir rápidamente cómo una estructura con una forma particular va a interactuar con la luz.

El manto en sí, descrito esta semana en Science, es realmente impresionante, exclama Fang, que está trabajando con metamateriales para crear obtención de imágenes biológicas de altísima resolución. Pero lo que más entusiasma del método nuevo para diseñar es que acelerará el desarrollo de otros metamateriales. Smith dice que su grupo y él ya avanzaron respecto del manto publicado en Science, pero como su último estudio no está publicado, no puede especificar qué fue lo que crearon. “Ahora que se está transformando en una tecnología más factible, comenzaremos a verla mucho más”, comenta.

Smith dice que otras aplicaciones de los metamateriales incluyen dispositivos ópticos que toman la energía de la luz y la concentran en vez de desviarla (conceptualmente, lo opuesto al manto). “Podrías mejorar las células solares al crear estructuras que aumenten la intensidad de campo de la luz”, dice. El estudio nuevo sugiere que esto podría hacerse con todo el espectro de longitudes de ondas que se halla en la luz solar. De modo similar “hiper-lentes” de amplio espectro que juntaran luz ignorada por lentes normales podrían revolucionar la obtención de imágenes biológicas. Fang y los demás desarrollaron hiper-lentes de espectro estrecho con resoluciones de sólo pocos nanómetros, lo que hace que sea visible el funcionamiento molecular. Una hiper-lente de amplio espectro podría trabajar con todos los colores de la luz visible y de la infrarroja.

La meta máxima, según Pendry, es ocultar el espectro de luz visible, y el último trabajo de Smith marca el camino. “No hay obstáculos insuperables para crear un manto que funcione con frecuencias ópticas”, dice Pendry. “El artículo de la Duke nos acerca un paso más a la meta”.