Investigadores del Instituto de Estructura de la Materia (CSIC) han comprobado que se puede fabricar un material artificial con índice de refracción negativo, una propiedad que no se produce en la naturaleza, lo que puede ayudar a reducir las pérdidas en las telecomunicaciones. El secreto es recubrir nanohilos de oro o plata con silicio.

Diseñado un nuevo metamaterial con una propiedad ‘contra natura’

Refracción negativa de luz infrarroja incidente (parte superior derecha) sobre nanocilindros de plata recubiertos de silicio. / IEM

IEM (CSIC)
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08 abril 2013 13:49

Un equipo de investigadores del Instituto de Estructura de la Materia (CSIC) propone un nuevo metamaterial artificial con propiedades ópticas exóticas ‘contra natura’. En concreto con un índice de refracción negativo, según publican en la revista Scientific Reports, del grupo Nature.

La propuesta se basa en nanoestructuras metal-semiconductor. Esta configuración puede allanar el camino para la fabricación de nuevos metamateriales electromagnéticos sin pérdidas, a los cuales se les suponen fascinantes aplicaciones ópticas como superlentes para obtención de imágenes con nanoresolución y para nanolitografía, invisibilidad de objetos o nanodispositivos ópticos como antenas, resonadores y láseres.

En general, los metamateriales electromagnéticos están construidos a base de estructuras muy pequeñas que presentan propiedades ópticas distintas de sus constituyentes, y son de especial interés aquellas que no se observan en la naturaleza.

Se allana el camino hacia fascinantes aplicaciones como superlentes y la invisibilidad 

Entre otras propiedades ópticas exóticas, ha despertado un enorme interés conseguir los índices de refracción negativos. Por ejemplo, pensando en la refracción en el agua, la luz se desviaría en dirección opuesta, como si rebotara al cruzar la superficie.

Hasta la fecha estos metamateriales con índice negativo –NIMs, del ingles negative index metamaterial–,se han conseguido en regímenes del espectro electromagnético de baja frecuencia –microondas–, a base de diseños específicos –resonadores con forma de anillos metálicos incompletos– para conseguir la respuesta magnética negativa, inexistente en la naturaleza, a diferencia de la respuesta eléctrica negativa, que la proporcionan los materiales metálicos.

El diseño de NIMs isótropos y sin pérdidas en el dominio óptico es un reto formidable, desde perspectivas teóricas y experimentales, siendo el problema fundamental precisamente el de la respuesta magnética artificial. Hasta ahora, los intentos de hacer frente a este problema han sido esencialmente miniaturizaciones simples de los diseños canónicos empleados en microondas, o  estructuras plasmónicas acopladas.

Sin embargo, presentan limitaciones fundamentales tales como anisotropía –presentar diferentes características según la dirección en qué se examinan–, elevadas pérdidas y baja dimensionalidad, por no mencionar la creciente complejidad en su fabricación.

Nanoesferas en 3D y nanohilos en 2D

Ahora, los científicos del CSIC han propuesto un esquema simple basado en las nanopartículas sencillas –nanoesferas en 3D y nanohilos en 2D– con un núcleo de metal recubierto de una capa semiconductora de alta permitividad dieléctrica. Son responsables respectivamente de las respuestas eléctricas y magnéticas y, por tanto, intrínsecamente isótropo.

Además, dado que el mecanismo físico se basa en la respuesta de las nanopartículas individuales no acoplados, no es necesario ningún ordenamiento específico. En particular, han demostrado que  núcleos de oro o plata con recubrimientos de silicio o germanio presentan un comportamiento como NIM isótropos a frecuencias infrarrojas.

Especialmente importante es el caso de los nanohilos por sus mínimas pérdidas, lo que permite diseñar estructuras ópticamente macroscópicas con tales propiedades.

Hasta ahora los modelos teóricos y simulaciones numéricas predecían que los nanocilindros de plata recubiertos de silicio podía exhibir índices de refracción negativos en el infrarrojo cercano –longitud de onda de las telecomunicaciones–, con pérdidas al menos 10 veces menores que las del mejor diseño predicho hasta la fecha. El nuevo estudio parece confirmarlo.

Referencia bibliográfica:

R. Paniagua-Domínguez, D. R. Abujetas, J. A. Sánchez-Gil. “Ultra low-loss, isotropic optical negative-index metamaterial based on hybrid metal-semiconductor nanowires”. Scientific Reports 3: 1507, marzo de 2013. Doi: 10.1038/srep01507.

3 Comentarios

  1. Estimados Sres.,
    lo primero, felicitarles por el indudable interés del artículo. Tanto, que hasta el Colegio Oficial de Ingenieros de Telecomunicación se ha hecho eco del mismo, incluyendo la referencia en su Boletín diario de noticias.

    Y una observación: la banda de bajas frecuencias del espectro electromagnético no coincide con las microondas, ya que éstas, al tener una longitud de onda muy corta, poseen una frecuencia muy alta. Ambos parámetros son inversamente proporcionales.

    Reciban un cordial saludo,
    Pablo Langa

    • Vaya observación más absurda. El término “baja frecuencia” es algo relativo, y evidentemente el redactor se refiere a que la frecuencia de las microondas son bajas comparadas con el rango óptico, que es en donde habla de las grandes aplicaciones. Si la longitud de onda de las microondas le parecen muy corta, que le parece la longitud de onda utilizada en comunicaciones ópticas de 1550nm?

      Ya no me soprende nada viniendo de ingenieros…

      Un saludo!

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