Nuevos dispositivos basados en metamateriales

Víctor Torres Landivar, ingeniero de Telecomunicación, ha diseñado y fabricado nuevos dispositivos basados en metamateriales (materiales artificiales con propiedades que no poseen materiales que se encuentran en la naturaleza). Con su tesis doctoral, leída en la Universidad Pública de Navarra (UPNA), ha logrado la primera demostración experimental nunca hecha con metamateriales con permitividad cercana a cero (ENZ, por epsilon near zero). Los resultados se publican en la revista de acceso abierto Journal of Optics, junto a científicos británicos y de EE UU.

“Estos materiales tienen características sorprendentes, como que una onda que viaje dentro de él pueda hacerlo a una velocidad de fase casi infinita y, por tanto, pueda ser transmitida de un lugar a otro sin perder apenas energía, por muy extraña o complicada que sea la forma que tiene el material. Las aplicaciones potenciales de estos medios son numerosas; por ejemplo, en nanocircuitos, levitación eléctrica o invisibilidad”, dice el ingeniero.

La investigación se ha centrado en su mayor parte en el diseño de nuevos metamateriales en la banda de terahercios (THz), banda de frecuencias localizada entre la de microondas y la infrarroja. “Es una banda con enormes potenciales de aplicación en biomedicina, radioastronomía o en seguridad, para detección de explosivos y armas –señala Torres–. Al ser una banda de utilización relativamente reciente, existe gran falta de dispositivos eficientes y, por eso, los resultados de nuestra investigación contribuyen a cubrir estas carencias”.

Las propiedades de los metamateriales proceden no de su composición sino de la forma de la estructura con que son diseñados. “De este modo, se pueden conseguir por ejemplo materiales con índice de refracción negativo, que doblan la luz en sentido contrario a lo que ocurre con los materiales naturales”, aclara el investigador.

Resultados en tres grupos

Los resultados pueden encuadrarse en tres grupos: metamateriales de transmisión extraordinaria, metamateriales ENZ y nanoantenas ópticas. Según explica el autor del trabajo, los metamateriales de transmisión extraordinaria son estructuras metálicas muy delgadas, compuestas por agujeros muy pequeños. Una disposición adecuada de estos orificios hace que la luz sea capaz de atravesarlos, pero de manera muy distinta a la que lo haría con agujeros más grandes.

“Hemos encontrado una manera especial de interconectar estos agujeros mediante líneas con formas de meandros, que proporcionan a estos metamateriales características adicionales”, señala. Una vez conocido el comportamiento de la nueva estructura, se diseñó y fabricó un polarizador, que permite controlar y cambiar la dirección que lleva la luz al atravesar la estructura. “Este polarizador es capaz de trabajar a dos bandas de frecuencias diferentes, con muy buenas características de ancho de banda y un espesor realmente delgado, lo que lo convierte en un dispositivo que compite y, en la mayoría de los casos, supera en prestaciones a dispositivos comerciales”.

En cuanto a los metamateriales ENZ, ha aprovechado sus características para diseñar y fabricar lentes metálicas de altas prestaciones. En estas lentes la onda electromagnética pasa a través de unos canales muy estrechos y muy próximos entre sí. “Una correcta ingeniería de estos canales y de la forma de la propia lente le confiere propiedades de radiación y de enfoque de energía superiores a las que presentan lentes clásicas fabricadas en otros materiales”, dice Torres, que ha diseñado y fabricado una de estas lentes con perfil plano-cóncavo para trabajar a 0.15 Thz.

“Ha sido la primera demostración experimental nunca hecha de este tipo de metamaterial ENZ y, además, hemos propuesto de modo teórico un diseño más avanzado donde se consigue reducir el volumen de la lente manteniendo prestaciones similares”, añade.

Por último, ha trabajado en el diseño de nanoantenas: “Se trata de dispositivos formados por agrupaciones de nanopartículas metálicas (comúnmente oro y plata) que se comportan de modo similar a las antenas clásicas de radiofrecuenci, pero a frecuencias ópticas”. En la tesis ha diseñado y fabricado una nanoantena cuya peculiaridad es proporcionar un ancho de banda superior a los demás tipos de nanoantenas con una concentración de energía similar.

“De este modo, puede ser utilizada en experimentos de espectroscopia a múltiples frecuencias. La misma nanoantena, de manera simultánea, proporciona una ganancia relevante en tres experimentos de espectroscopia diferentes (fluorescencia, absorción Ramán e infrarroja); es decir: en lugar de utilizar tres nanoantenas diferentes para cada uno de los experimentos, una sola nanoantena con este tipo de diseño es suficiente”, concluye el ingeniero.