Cada vez estamos más cerca de conseguir materiales verdaderamente invisibles. La investigación que hoy publica la revista Nature Physics demuestra la existencia de una nueva clase de metamateriales llamados "trampas de índice continuo para fotones" (CIPT, por sus siglas en inglés) y representa un paso capital hacia una óptica de transformación que "abra la puerta a la manipulación de la luz a voluntad".
Hasta Albert Einstein estaría impresionado. Su teoría de la relatividad general, que describe cómo la gravedad de un objeto masivo, como una estrella, puede curvar el espacio y el tiempo, ha sido utilizada con éxito para predecir las observaciones astronómicas, como la flexión de la luz estelar por influjo del sol, los pequeños cambios en la órbita del planeta Mercurio y el fenómeno conocido como lente gravitatoria. Pronto podría ser posible estudiar los efectos de la relatividad general mediante experimentos de laboratorio.
Xiang Zhang, un científico que trabaja en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, en California (EE UU) y perteneciente al Departamento de Energía estadounidense, encabeza el estudio que se publica hoy en la edición online de Nature Physics, y en el que se ha determinado que la interacción de la luz y la materia con el espacio-tiempo, tal y como predice la relatividad general, puede ser estudiada usando la nueva generación de materiales ópticos artificiales que se caracterizan por una “extraordinaria capacidad para flexionar la luz y otras formas de radiación electromagnética”.
"Proponemos un vínculo entre el recién surgido ámbito de los materiales ópticos artificiales y el de la mecánica celeste, lo que abre nuevas posibilidades de investigar los fenómenos astronómicos en la misma mesa del laboratorio", señala Zhang y añade: "Hemos introducido una nueva clase de soportes ópticos diseñados especialmente para imitar los movimientos periódicos, cuasiperiódicos y caóticos observados en los cuerpos celestes que han sido sometidos a complejos campos gravitacionales".
Su equipo de investigación han demostrado que una nueva clase de metamateriales llamados "trampas de índice continuo para fotones" o CIPT (por sus siglas en inglés) puede servir como cavidades ópticas "perfectas” de banda ancha y libres de radiación. Como tales, las CIPT pueden controlar, desacelerar y atrapar la luz de manera similar a fenómenos celestes como los agujeros negros, atractores extraños y lentes gravitatorias. Esta equivalencia entre el movimiento de las estrellas en el espacio-tiempo curvo y la propagación de la luz en metamateriales ópticos creados en un laboratorio de ingeniería se conoce con el nombre de "analogía óptico-mecánica".
Zhang asegura que dichos metamateriales de diseño especial pueden ser herramientas valiosas para estudiar el movimiento de los cuerpos celestes masivos en potenciales gravitatorios en condiciones de laboratorio. Las observaciones de tales fenómenos celestes por los astrónomos pueden a veces extenderse un siglo.
"Si giramos nuestro espacio metamaterial óptico dentro de nuevas coordenadas, la luz que viaja en líneas rectas en el espacio real se curva en el espacio girado de nuestras ópticas transformacionales", señala Zhang. "Esto es muy similar a lo que ocurre con la luz de las estrellas cuando atraviesa un potencial gravitatorio y sufre una curvatura del espacio-tiempo. Esta analogía entre el electromagnetismo clásico y la relatividad general podría permitirnos utilizar metamateriales ópticos para estudiar fenómenos de la relatividad tales como las lentes gravitatorias".
En sus estudios demostrativos, el equipo utilizó una mezcla de aire y el dieléctrico fosfuro de galio, indio y arsénico (GaInAsP). Este material mostró actividad en el rango espectral infrarrojo y presentó un alto índice de refracción con baja absorción.
Los misterios del movimiento caótico planetario
En su artículo, Zhang y el resto de autores citan como perspectiva especialmente interesante de la aplicación de materiales ópticos artificiales a la analogía óptico-mecánica el estudio del fenómeno conocido como el caos. La aparición del caos en los sistemas dinámicos es uno de los problemas más fascinantes de la ciencia y se observa en áreas tan diversas como el movimiento molecular, la dinámica de la población y la óptica. En particular, un planeta que gira alrededor de una estrella puede sufrir un movimiento caótico en presencia de una perturbación, como puede ser otro gran planeta. Sin embargo, debido a las grandes distancias espaciales entre los cuerpos celestes y los largos períodos que consume el estudio de su dinámica, la observación directa del movimiento caótico planetario ha entrañado una gran dificultad. Gracias al uso de la analogía óptico-mecánica, este tipo de estudios podrían realizarse a demanda en condiciones de laboratorio.
"A diferencia de los astrónomos, no tendremos que esperar 100 años para conseguir resultados experimentales", concluye Zhang, que además es director del Centro de Ciencias e Ingeniería a Nanoescala de la Universidad de California en Berkeley y uno de los pioneros en la creación de materiales ópticos artificiales.
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