Invisibilidad: anhelo de la ciencia ficción y realidad de la ciencia factual

Los avances científicos en óptica han permitido el desarrollo de compuestos capaces de desviar algunos de los diferentes espectros de la luz que permitirían la posibilidad de tornar invisibles objetos físicos.

Fuente: Photonic Materilas Group www.erbium.nl

Fuente: Photonic Materilas Group http://www.erbium.nl

La invisibilidad es una habilidad que se ha hecho popular en los cómics, cuentos y películas de ciencia ficción, como la capa de Harry Potter, la Mujer Invisible de Los Cuatro Fantásticos o Griffin, el personaje principal de la novela de El Hombre Invisible de H. G. Wells; sin embargo, cada vez esto supera al imaginario colectivo y se vuelve poco a poco realidad gracias a las investigaciones que se hacen con los metamateriales.

Los metamateriales son sustancias que ostentan propiedades ópticas que en absoluto se encuentran en la naturaleza. Es por esto que son creados en el laboratorio partiendo de la inserción de pequeñísimos implantes de metales conductores como el cobre y la plata en una sustancia determinada permitiéndole a las ondas electromagnéticas que la tocan curvarse de formas inimaginables.

En la óptica, la refracción es la curvatura que se manifiesta en la luz cuando ésta atraviesa un ámbito o medio transparente. Es como cuando metemos un palo de escoba en una piscina y observamos cómo éste parece doblarse; cuando miramos a través de un cristal, como el de nuestros lentes de aumento, el suelo que pisamos también presenta un efecto de flexión o curvatura. Este efecto óptico se le conoce como refracción positiva.

Yaroslav Urzhumov, profesor asistente de investigación en ingeniería eléctrica y computacional de la Universidad de Duke, de Carolina del Norte, muestra un “manto” de invisibilidad impresa en tercera dimensión capaz de desviar rayos de microondas. Fuente: Universidad de Duke

La luz mantiene siempre su velocidad en el vacío pero una vez que atraviesa el agua o el cristal ésta disminuye su velocidad porque choca con sus átomos. Si dividimos la velocidad de la luz en el vacío entre la velocidad más lenta de la luz dentro del medio transparente, obtenemos lo que se llama índice de refracción.

Cuando un haz de luz atraviesa un vidrio, éste rayo se desvía y continúa en línea recta, su índice de refracción es positivo y constante. El controlar el índice de refracción dirigiéndolo a la dirección que quisiéramos es lo que pretende precisamente la investigación de metamateriales: tendríamos un metamaterial que cubre a un objeto cualquiera; la luz llegaría por todas direcciones y al chocar con la cobertura especial el índice de refracción positivo se desviaría hacia otra dirección, o mejor dicho, se curvaría alrededor convirtiendo su índice de refracción en negativo haciendo del objeto cubierto un cuerpo invisible.

Refracción positiva y negativa. (a) Tenemos un vaso vacío y un popote, (b) al agregar agua, el popote es refractado positivamente. (c) Así se vería el popote si el medio en el que se encuentra cuenta con un índice de refracción negativa. Fuente: www.st-andrews.ac.uk/~ulf/levitation.html

Refracción positiva y negativa. (a) Tenemos un vaso vacío y un popote, (b) al agregar agua, el popote es refractado positivamente. (c) Así se vería el popote si el medio en el que se encuentra cuenta con un índice de refracción negativa. Fuente: http://www.st-andrews.ac.uk/~ulf/levitation.html

El físico ruso Víctor Veselago fue el primer investigador en teorizar sobre los metamateriales, en su trabajo “La electrodinámica de sustancias con valores negativos del mismo tiempo ε y μ”, publicado en el año de 1967 donde establecía las propiedades ópticas ‘extrañas’ de estos componentes como su refracción negativa y el efecto Doppler¹ inverso (propagación de onda reversible). En ese entonces Veselago los denominó materiales zurdos o LHM (Left-Handed Materials).

Por su lado, el físico del Imperial College de Londres, John Pendry, redactó un pequeño ensayo acerca de un lente que teóricamente tendría el enfoque perfecto a partir de un bloque de material transparente con índice de refracción negativa. En 2006, Pendry junto con los físicos norteamericanos David Smith y David Schuric, estos últimos investigadores de la Universidad de Duke en Carolina del Norte, desarrollaron la llamada teoría del manto: calcularon el perfil de refracción específico de un ‘caparazón’ de forma esférica y hueco que podría interceptar haces de luz, doblarlos e introducirlos dentro de la esfera para posteriormente redirigirlos, por medio de refracción, hacia afuera donde continuarían su camino original como si los haces nunca hubieran entrado dentro del objeto.

Derecha: el doctor y experto en Física de Estado Sólido Víctor Georgievich Veselago; izquierda: el doctor John Pendry en la sesión plenaria de la FiO/LS XXVII 2011 (Frontiers in Optics/Laser Science) en San José California. Fuente: Wikimedia Commons. Wikipedia y Flickr de The Optical Society (OSA) respectivamente

Derecha: el doctor y experto en Física de Estado Sólido Víctor Georgievich Veselago; izquierda: el doctor John Pendry en la sesión plenaria de la FiO/LS XXVII 2011 (Frontiers in Optics/Laser Science) en San José California. Fuente: Wikimedia Commons. Wikipedia y Flickr de The Optical Society (OSA) respectivamente

Con el planteamiento base, este grupo de físicos pudieron diseñar el primer metamaterial capaz de ocultar un objeto casi en su totalidad. Una explicación sencilla del experimento la hace Michio Kaku en su libro “Física de lo Imposible”:

Los científicos insertaron en bandas de cobre minúsculos circuitos eléctricos dispuestos en círculos planos concéntricos (una forma que recuerda algo a las resistencias de un horno eléctrico). El resultado fue una mezcla de sofisticada de cerámica, teflón, compuestos de fibra y componentes metálicos. Estos minúsculos implantes en el cobre hacen posible curvar y canalizar de una forma específica la trayectoria de la radiación de microondas […] Los científicos demostraron satisfactoriamente este principio con un aparato hecho de diez anillos de fibra óptica cubiertos con elementos de cobre. Un anillo de cobre en el interior del aparato se hacía casi invisible a la radiación de microondas, pues sólo arrojaba una sombra minúscula.

Ilustración de un Resonador de anillos separados (Split-ring resonator) diseñado por John Hendry y sus colegas. Fuente: Negative-Refraction Metamaterials. Fundamental principles and applications. Institute of Electrical and Electronics Engineers. 2005

Ilustración de un Resonador de anillos separados (Split-ring resonator) diseñado por John Pendry y sus colegas. Fuente: Negative-Refraction Metamaterials. Fundamental principles and applications. Institute of Electrical and Electronics Engineers. 2005

Aunque este experimento utilizaba microondas radiadas, la investigación continúa para conformar metamateriales que refracten la luz visible y para esto, la multidisciplina es necesaria ya que actualmente se implementan compuestos que hacen uso de superconductores y nanotecnología. Los avances continúan y es seguro que en un futuro cercano podamos hacer uso de dispositivos que permitan la invisibilidad tan anhelada en la ciencia ficción.

Redacción de CULTURBAL con información de Ernesto Olmos

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¹Llamado así por el físico austriaco Christian A. Doppler. “Si está junto a una autopista y un vehículo se acerca sonando su bocina, el tono (la frecuencia percibida) del sonido es mayor cuando el vehículo se acerca y menor cuando se aleja. Usted también puede oír variaciones en la frecuencia del ruido del motor cuando ve un auto de carreras viajando alrededor de una pista. Una variación en la frecuencia del sonido percibido debido al movimiento de la fuente es un ejemplo del efecto Doppler”. Tomado del libro Física de Wilson Buffa, Pearson Educación, México, 2003.

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