Ciencia

Científicos detectan todas las propiedades de una onda de luz

A través de un sensor cuántico se explotan las propiedades físicas únicas de una nueva familia de materiales bidimensionales llamados metamateriales moiré.

Físicos de las universidades de Texas y Yale demostraron que un sensor cuántico de grosor atómico puede detectar simultáneamente todas las propiedades fundamentales de una onda de luz entrante.

La investigación, publicada en Nature, demuestra un nuevo concepto basado en la geometría cuántica que podría tener uso en la salud, la exploración del espacio profundo y las aplicaciones de detección remota.

"[...] por lo general, cuando desea caracterizar una onda de luz, debe usar diferentes instrumentos para recopilar información, como la intensidad, la longitud de onda y el estado de polarización de la luz [...]", dijo en un comunicado el doctor Fan Zhang, autor correspondiente del estudio y profesor asociado de Física en la Facultad de Ciencias Naturales y Matemáticas.

"Ahora tenemos un solo dispositivo, solo un chip pequeño y delgado, que puede determinar todas estas propiedades simultáneamente en muy poco tiempo", dijo. El dispositivo explota las propiedades físicas únicas de una nueva familia de materiales bidimensionales: los metamateriales moiré.

Zhang, físico teórico, publicó un artículo de revisión sobre estos materiales el 2 de febrero en Nature. Los materiales 2D tienen estructuras periódicas y son atómicamente delgados. Si se superponen dos capas de dicho material con un pequeño giro rotacional, se puede formar un patrón moiré con una periodicidad emergente de varios órdenes de magnitud. El metamaterial moiré resultante produce propiedades electrónicas que difieren mucho de las exhibidas por una o dos capas alineadas naturalmente.

El dispositivo de detección que Zhang y sus colegas eligieron para demostrar su nueva idea incorpora dos capas de grafeno bicapa natural relativamente retorcido, para un total de cuatro capas atómicas.

"El metamaterial moiré exhibe lo que se llama un efecto fotovoltaico masivo, lo cual es inusual", dijo Patrick Cheung, estudiante de doctorado en física en UT Dallas y coautor principal del estudio. "[...] Tanto la magnitud como la fase del fotovoltaje dependen en gran medida de la intensidad de la luz, la longitud de onda y el estado de polarización", dijo.

Al ajustar el metamaterial moiré, el fotovoltaje generado por una onda de luz entrante dada crea un mapa 2D que es único para esa onda, como una huella dactilar, y del cual se pueden inferir las propiedades de la onda, aunque hacerlo es un desafío, reconoció Zhang.

¿Qué son los metamateriales y para qué sirven?

Los metamateriales son materiales inteligentes que presentan una gama tan amplia de propiedades y pueden ser tan distintos los unos de los otros que no existe una definición como tal para ellos, aunque lo que todos tienen en común es que son de origen artificial. Ésto quiere decir que no se encuentran en la naturaleza y los han creado personas. ¡Mini punto positivo para los humanos!

Propiedades

Aparte de su origen artificial, los metamateriales se caracterizan porque presentan propiedades electromagnéticas inusuales, procedentes de su estructura y ordenación y no de su composición. Ésto es similar a lo que pasa con el grafito, el diamante y el grafeno, ya que todos están compuestos de carbono, pero debido a su estructura, presentan unas propiedades muy diferentes.

Una de las propiedades que pueden variar los metamateriales puede ser, por ejemplo, que el material presente un índice de refracción negativo. Ésto hace que estos materiales tengan una gran importancia en aplicaciones de óptica y electromagnetismo.

Beneficios

Sabemos que con esta explicación os seguiréis preguntando ¿qué hace realmente un metamaterial? ¿Por qué va a ser tan importante? La respuesta es fácil, puede hacer más visibles o invisibles los objetos a determinadas longitudes de onda.

Por ejemplo, la luz tiene diversos componentes dependiendo de su longitud de onda: ultravioleta, infrarrojo, luz visible, microondas, etc. Si creamos una tela con metamateriales que cubra una manzana a la longitud de onda visible, esta desaparecerá de nuestra vista y veremos lo que hay al otro lado. ¡Imaginaos si hacemos desaparecer una persona o un edificio!

Aun así, estos efectos de evitar que las ondas incidan en objetos no solo ocurren con la luz visible, sino que se pueden aplicar también al campo de la acústica (invisible a los ultrasonidos) o el electromagnetismo.

Campos de aplicación

Por ahora, ya hay diversos prototipos de ropa invisible que se han dado a conocer al público, y aunque se vea una cierta distorsión a través de las prendas, lo cierto es que el objeto que recubren desaparece y se ve lo que hay detrás. Como entenderéis, estas aplicaciones han tenido gran acogida en el sector militar, por lo que los mayores avances en este campo por ahora son un secreto, aunque seguro que poco a poco van llegando al mercado con aparatos o aplicaciones cotidianas, como podría ser en los puntos muertos de los coches, donde el conductor podría obtener visibilidad total de lo que tiene delante, reduciendo así el riesgo de accidentes y atropellos de viandantes.

Además, las aplicaciones no se limitan a poder hacer desaparecer objetos, sino que también se puede conseguir una mayor precisión en mediciones de elementos ópticos, acústicos y electromagnéticos, lo cual, seguro que revoluciona el mercado dentro de poco con mejores cámaras, mayor capacidad de microprocesadores o mayor resolución en aparatos médicos basados en ultrasonidos, entre otros.

Como hemos comentado, los metamateriales todavía están lejos de poder llegar al mercado de forma generalizada, pero sí que es cierto que demuestran con sus inusuales propiedades que el único límite en el desarrollo de aplicaciones es la imaginación. Por nuestra parte seguiremos muy de cerca los desarrollos que se produzcan con este tipo de materiales, ya que estamos seguros de que acapararán gran atención en el futuro.

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