Crean el primer metamaterial construido enteramente con semiconductores

Un equipo de investigación de la universidad norteamericana de Princeton ha desarrollado un método sencillo para producir un material semiconductor que puede doblar la luz en el sentido opuesto al que de forma natural ocurre en otros materiales.

Los semiconductores (el componente principal de los microchips, por ejemplo) que constituyen este nuevo metamaterial están hechos a partir de cristales, y sus creadores han usando técnicas de fabricación comunes, haciendo que su producción sea menos compleja y más barata. Se trata, pues, del primer metamaterial construido enteramente con semiconductores.

Según sus creadores, un metamaterial con esta propiedad podría contribuir a avances importantes en múltiples áreas, como las comunicaciones a alta velocidad, el diagnóstico médico o la detección de amenazas terroristas.

Esta nueva sustancia pertenece a una clase relativamente nueva de materiales llamados metamateriales. Los metamateriales son materiales artificiales electromagnéticos con propiedades superiores a las que se pueden encontrar en la naturaleza.

Los metamateriales obtienen sus propiedades de su estructura y no de su composición. Es decir, son compuestos ordenados cuyas propiedades físicas son distintas a la de los compuestos que lo constituyen. Este término se utiliza, sobre todo, cuando el material obtenido de esta manera tiene propiedades que no se encuentran en materiales formados de forma natural.

Los ingenieros de la Universidad de Princeton han conseguido por vez primera que uno de estos metamateriales manipule la luz de forma que no pueden conseguirse con materiales corrientes. “Para que sean de utilidad en varios dispositivos, los metamateriales tienen que ser tridimensionales”, explica la profesora Claire Gmachl, una de las investigadoras, en un comunicado de la propia universidad. “Este nuevo metamaterial se compone de semiconductores, que son extremadamente funcionales. Esta es la clase de cosas con la que se fabrican las verdaderas aplicaciones.”

El equipo de investigación ha sido dirigido por Anthony Hoffman, que ha sido ayudado por ingenieros de la Oregon State University y la empresa de telecomunicaciones Alcatel-Lucent. Sus hallazgos han sido publicados por Nature Materials.

Índice de refracción negativo

Las ondas de luz y otras formas de radiación electromagnética se doblan cuando pasan de un material a otro. Este fenómeno, llamado refracción, se puede observar fácilmente cuando metemos un lápiz en un vaso de agua. En este caso, el lápiz aparece como quebrado a nuestros ojos. Las lentes y las cámaras pueden funcionar gracias a la refracción.

Todos los materiales tienen un índice de refracción. El índice de refracción es la relación entre la velocidad de la onda en un medio de referencia (el vacío para las ondas electromagnéticas) y su velocidad en el medio de que se trate. La mayor parte de los materiales encontrados en la naturaleza tienen un índice de refracción positivo (por ejemplo el índice de refracción del aire es 1,33), sin embargo el material ideado por los investigadores de Princeton lo tiene negativo.

Para que nos hagamos una idea de lo que esto significa, si el agua en el que metemos el lápiz tuviera un índice de refracción negativo, lo que veríamos es que el lápiz se dobla hacia la superficie, no hacia el fondo del vaso.

¿Qué quiere decir esto además de una ilusión óptica? Un material con estas características abre nuevas posibilidades para desarrollar lentes de una calidad superior. El índice de refracción positivo de los materiales normales requiere el uso de lentes curvas, que inherentemente distorsionan la luz que pasa a través de ellas. Eso es lo que ocurre, por ejemplo, en el caso de los telescopios o de los microscopios.

Según los investigadores, una lente plana creada a partir de materiales con refracción negativa podría compensar esta disfunción y dar como resultado microscopios mucho más potentes con capacidad para ver cosas tan pequeñas como moléculas de ADN.

Además, este metamaterial es capaz de refractar negativamente la luz en el infrarrojo medio (las radiaciones infrarrojas, también llamadas térmicas, se dividen en tres: cercanas, medias o lejanas), que es utilizado en una gran cantidad de aplicaciones de comunicación.

Desarrollo sencillo

La composición única del nuevo METAmaterial le confiere la capacidad de perder mucha menos luz que metamateriales anteriores y además hacen que su fabricación y desarrollo sea sencillo y barato.

Esta investigación será aplicada dentro de las investigaciones que lleva a cabo el Centro de Tecnologías del Infrarrojo Medio para la Salud y el Medio Ambiente” (MIRTHE). Los científicos de este proyecto están desarrollando sensores compactos para detectar rastros de gases en la atmósfera y en la respiración humana. Su idea es que estos dispositivos sirvan un día para monitorizar la calidad del aire o para hacer test médicos no invasivos a enfermos de diabetes o con problemas pulmonares.

Los investigadores esperan que este nuevo metamaterial se pueda utilizar para crear un nuevo láser que emita luz de la región infrarroja media.