La óptica de transformación es una rama de la óptica que aplica metamateriales para producir variaciones espaciales, derivadas de transformaciones de coordenadas , que pueden dirigir anchos de banda elegidos de radiación electromagnética . Esto puede permitir la construcción de nuevos dispositivos artificiales compuestos , que probablemente no podrían existir sin metamateriales y transformación de coordenadas. La potencia informática disponible a finales de los años 1990 permite prescribir valores cuantitativos para la permitividad y la permeabilidad , los parámetros constitutivos , que producen variaciones espaciales localizadas. El valor agregado de todos los parámetros constitutivos produce un valor efectivo , que produce los resultados previstos o deseados.
De ahí que se utilicen materiales artificiales complejos, conocidos como metamateriales , para producir transformaciones en el espacio óptico.
Las matemáticas que sustentan la óptica de transformación son similares a las ecuaciones que describen cómo la gravedad deforma el espacio y el tiempo, en la relatividad general . Sin embargo, en lugar del espacio y el tiempo , estas ecuaciones muestran cómo la luz puede dirigirse de una manera elegida, análoga a deformar el espacio. Por ejemplo, una posible aplicación es recoger la luz solar con nuevas células solares concentrando la luz en un área. Por lo tanto, se podría mejorar notablemente una amplia gama de dispositivos convencionales aplicando óptica de transformación. [1] [2] [3] [4] [5]
La óptica de la transformación tiene su inicio en dos investigaciones y sus conclusiones. Fueron publicados el 25 de mayo de 2006 en el mismo número de la revista científica Science . Los dos artículos describen teorías sostenibles sobre cómo doblar o distorsionar la luz para ocultar electromagnéticamente un objeto. En particular, ambos artículos mapean la configuración inicial de los campos electromagnéticos en una malla cartesiana . Al girar la malla cartesiana, en esencia, se transforman las coordenadas de los campos electromagnéticos, que a su vez ocultan un objeto determinado. De ahí que con estos dos artículos nace la óptica de transformación. [5]
La óptica de transformación se suscribe a la capacidad de desviar la luz , u ondas y energía electromagnéticas , de cualquier forma preferida o deseada, para una aplicación deseada. Las ecuaciones de Maxwell no varían aunque las coordenadas se transformen. En cambio, los valores de los parámetros elegidos de los materiales se "transforman" o alteran durante un período de tiempo determinado. La óptica de transformación se desarrolló a partir de la capacidad de elegir qué parámetros para un material determinado, conocido como metamaterial. Por lo tanto, dado que las ecuaciones de Maxwell conservan la misma forma, son los valores sucesivos de permitividad y permeabilidad los que cambian con el tiempo. La permitividad y la permeabilidad son, en cierto sentido, respuestas a los campos eléctrico y magnético de una fuente de luz irradiada, respectivamente, entre otras descripciones. El grado preciso de respuesta eléctrica y magnética se puede controlar en un metamaterial, punto por punto. Dado que se puede mantener tanto control sobre las respuestas del material, esto conduce a un material de índice de gradiente mejorado y altamente flexible. Los índices de refracción convencionalmente predeterminados de los materiales ordinarios se convierten en gradientes espaciales independientes que pueden controlarse a voluntad. Por tanto, la óptica de transformación es un nuevo método para crear dispositivos ópticos novedosos y únicos . [1] [2] [6] [7]
La óptica de transformación puede ir más allá del encubrimiento (imitar la mecánica celeste) porque su control de la trayectoria y el camino de la luz es muy eficaz. La óptica de transformación es un campo de la ingeniería y la ciencia óptica y de materiales que abarca la nanofotónica , la plasmónica y los metamateriales ópticos .
Los avances en este campo se centran en los avances en la investigación de la óptica de transformación. La óptica de transformación es la base para explorar un conjunto diverso de desarrollos teóricos , numéricos y experimentales, que involucran las perspectivas de las comunidades de física e ingeniería . Las perspectivas multidisciplinarias para la investigación y el diseño de materiales desarrollan la comprensión de sus comportamientos, propiedades y aplicaciones potenciales para este campo.
Si se puede derivar o describir una transformación de coordenadas, un rayo de luz (en el límite óptico) seguirá líneas de una coordenada constante. Existen restricciones en las transformaciones, como se enumeran en las referencias. Sin embargo, en general, se puede lograr un objetivo particular utilizando más de una transformación. La clásica capa cilíndrica (primeramente simulada y demostrada experimentalmente) se puede crear con muchas transformaciones. El más simple, y el más utilizado, es un mapeo de coordenadas lineales en coordenadas radiales. Se están realizando importantes investigaciones para determinar las ventajas y desventajas de tipos particulares de transformaciones y qué atributos son deseables para transformaciones realistas. Un ejemplo de esto es la capa de alfombra de banda ancha: la transformación utilizada fue casi conforme. Tal transformación puede producir un manto que utiliza valores no extremos de permitividad y permeabilidad , a diferencia del manto cilíndrico clásico, que requería que algunos parámetros variaran hacia el infinito en el radio interior del manto.
Se pueden derivar transformaciones de coordenadas generales que comprimen o expanden el espacio, doblan o tuercen el espacio, o incluso cambian la topología (por ejemplo, imitando un agujero de gusano ). Gran parte del interés actual gira en torno al diseño de capas de invisibilidad , capas de eventos , concentradores de campo o guías de ondas que doblan haces .
Las interacciones de la luz y la materia con el espacio-tiempo , tal como lo predice la relatividad general , se pueden estudiar utilizando el nuevo tipo de materiales ópticos artificiales que presentan capacidades extraordinarias para desviar la luz (que en realidad es radiación electromagnética). Esta investigación crea un vínculo entre el campo recientemente emergente de los metamateriales ópticos artificiales con el de la mecánica celeste , abriendo así una nueva posibilidad para investigar fenómenos astronómicos en un entorno de laboratorio. La nueva clase recientemente introducida de medios ópticos especialmente diseñados puede imitar los movimientos periódicos , cuasiperiódicos y caóticos observados en objetos celestes que han sido sometidos a campos gravitacionales . [8] [9] [10]
De ahí que se haya introducido una nueva clase de metamateriales con la nomenclatura “trampas de fotones de índice continuo” (CIPT). CIPTz tiene aplicaciones como cavidades ópticas. Como tales, los CIPT pueden controlar, ralentizar y atrapar la luz de manera similar a los fenómenos celestes como los agujeros negros , los atractores extraños y las lentes gravitacionales . [8] [9]
Un compuesto de aire y el dieléctrico fosfuro de arseniuro de galio e indio ( GaInAsP ), operaba en el rango espectral infrarrojo y presentaba un alto índice de refracción con bajas absorciones. [8] [11]
Esto abre una vía para investigar fenómenos luminosos que imitan el movimiento orbital , los atractores extraños y el caos en un entorno de laboratorio controlado fusionando el estudio de los metamateriales ópticos con la mecánica celeste clásica. [9]
Si se pudiera producir un metamaterial que no tuviera una pérdida intrínseca alta y un rango de frecuencia de operación estrecho, entonces podría emplearse como un tipo de medio para simular el movimiento de la luz en un vacío espacio-temporal curvo . Se presenta tal propuesta y los metamateriales se convierten en medios prospectivos en este tipo de estudio. La analogía óptico-mecánica clásica ofrece la posibilidad de estudiar la propagación de la luz en medios homogéneos como una analogía precisa con el movimiento de cuerpos masivos y de la luz en potenciales gravitacionales. Se logra un mapeo directo de los fenómenos celestes observando el movimiento de los fotones en un ambiente de laboratorio controlado. Los materiales podrían facilitar el movimiento de la luz periódico, cuasi periódico y caótico inherente a los objetos celestes sujetos a campos gravitacionales complejos. [8]
Al girar el metamaterial óptico se transforma su "espacio" en nuevas coordenadas. La luz que viaja en el espacio real se curvará en el espacio retorcido, como se aplica en la óptica transformacional. Este efecto es análogo a la luz de las estrellas cuando se mueve a través de un campo gravitacional más cercano y experimenta un espacio-tiempo curvo o un efecto de lente gravitacional . Esta analogía entre el electromagnetismo clásico y la relatividad general muestra el potencial de los metamateriales ópticos para estudiar fenómenos de la relatividad como la lente gravitacional. [8] [11]
Las observaciones de tales fenómenos celestes por parte de los astrónomos a veces pueden llevar un siglo de espera. El caos en los sistemas dinámicos se observa en áreas tan diversas como el movimiento molecular, la dinámica de poblaciones y la óptica. En particular, un planeta alrededor de una estrella puede sufrir un movimiento caótico si está presente una perturbación, como la de otro planeta grande. Sin embargo, debido a las grandes distancias espaciales entre los cuerpos celestes y los largos períodos que implica el estudio de su dinámica, la observación directa del movimiento planetario caótico ha sido un desafío. El uso de la analogía óptico-mecánica puede permitir que dichos estudios se realicen en un laboratorio de mesa en cualquier momento prescrito. [8] [11]
El estudio también apunta al diseño de nuevas cavidades ópticas y trampas de fotones para su aplicación en dispositivos microscópicos y sistemas láser. [8]
La propagación de la materia en un espacio-tiempo curvo es similar a la propagación de ondas electromagnéticas en un espacio curvo y en un metamaterial homogéneo , como se indicó en el apartado anterior. Por lo tanto , es posible simular un agujero negro utilizando campos electromagnéticos y metamateriales. En julio de 2009 se teorizó sobre una estructura metamaterial que formaría un agujero negro efectivo, y las simulaciones numéricas mostraron una absorción de luz altamente eficiente . [10] [12]
La primera demostración experimental de un agujero negro electromagnético en frecuencias de microondas se produjo en octubre de 2009. El agujero negro propuesto estaba compuesto por estructuras metamateriales resonantes y no resonantes, que pueden absorber ondas electromagnéticas de manera eficiente provenientes de todas las direcciones debido al control local de las ondas electromagnéticas. campos. Estaba construido con un cilindro delgado de 21,6 centímetros de diámetro que comprendía 60 anillos concéntricos de metamateriales . Esta estructura creó un índice de refracción gradiente , necesario para desviar la luz de esta manera. Sin embargo, se caracterizó por ser un sustituto artificialmente inferior de un agujero negro real. La caracterización se justificó por una absorción de sólo el 80% en el rango de microondas, y que no tiene fuente interna de energía . Es singularmente un absorbente de luz. La capacidad de absorción de luz podría resultar beneficiosa si pudiera adaptarse a tecnologías como las células solares. Sin embargo, el dispositivo está limitado al rango de microondas. [13] [14]
También en 2009, se empleó óptica de transformación para imitar un agujero negro de forma Schwarzschild . También se encontraron numéricamente propiedades similares de la esfera de fotones para el agujero negro metamaterial. Se propusieron varias versiones reducidas de los sistemas de agujeros negros para facilitar las implementaciones. [15]
Las simulaciones por computadora del MIT realizadas por Fung junto con experimentos de laboratorio están diseñando un metamaterial con una estructura de dientes de sierra multicapa que ralentiza y absorbe la luz en una amplia gama de frecuencias de longitud de onda y en una amplia gama de ángulos incidentes, con una eficiencia del 95%. Tiene una ventana extremadamente amplia para los colores de luz.
Diseñar el espacio óptico con metamateriales podría resultar útil para reproducir un modelo de laboratorio preciso del multiverso físico. " Este 'paisaje metamaterial' puede incluir regiones en las que una o dos dimensiones espaciales están compactadas. " Los modelos metamateriales parecen ser útiles para modelos no triviales como el espacio 3D de Sitter con una dimensión compactada y el espacio 2D de Sitter con dos dimensiones compactadas. , 4D de Sitter dS4 y espacios anti-de Sitter AdS4. [10] [16]
La óptica de transformación se emplea para aumentar las capacidades de las lentes de índice de gradiente.
Los elementos ópticos (lentes) realizan una variedad de funciones, que van desde la formación de imágenes hasta la proyección o captación de luz. El rendimiento de estos sistemas frecuentemente está limitado por sus elementos ópticos, que dominan el peso y el costo del sistema, y obligan a hacer concesiones entre parámetros del sistema como la distancia focal, el campo de visión (o ángulo de aceptación), la resolución y el alcance. [17]
En última instancia, las lentes convencionales están limitadas por la geometría. Los parámetros de diseño disponibles son un índice único de refracción (n) por elemento de lente, variaciones en el perfil de la superficie del elemento, incluidas superficies continuas (curvatura de la lente) y/o superficies discontinuas (óptica difractiva). Los rayos de luz se refractan en las superficies de cada elemento, pero viajan en línea recta dentro de la lente. Dado que el espacio de diseño de la óptica convencional se limita a una combinación de índice de refracción y estructura de superficie, la corrección de aberraciones (por ejemplo mediante el uso de óptica acromática o difractiva) conduce a diseños grandes, pesados y complejos, y/o mayores pérdidas, menores. calidad de imagen y dificultades de fabricación. [17]
Las lentes de índice degradado (o lentes GRIN), como su nombre lo indica, son elementos ópticos cuyo índice de refracción varía dentro de la lente. El control de la refracción interna permite dirigir la luz en trayectorias curvas a través de la lente. Por lo tanto, la óptica GRIN aumenta el espacio de diseño para incluir todo el volumen de los elementos ópticos, lo que brinda la posibilidad de reducir drásticamente el tamaño, el peso, el número de elementos y el costo de ensamblaje, además de abrir un nuevo espacio para el intercambio entre parámetros de rendimiento. Sin embargo, los esfuerzos anteriores para fabricar lentes GRIN de gran apertura han tenido un éxito limitado debido al cambio restringido del índice de refracción, un control deficiente sobre los perfiles de índice y/o limitaciones severas en el diámetro de la lente. [17]
Los recientes avances en la ciencia de los materiales han llevado a al menos un método para desarrollar lentes GRIN grandes (>10 mm) con índices de gradiente tridimensionales. Existe la posibilidad de agregar capacidades de deformación ampliadas a las lentes GRIN. Esto se traduce en expansión, contracción y cizallamiento controlados (para lentes de enfoque variable o variaciones ópticas asimétricas). Estas capacidades han sido demostradas. Además, los avances recientes en óptica de transformación y potencia computacional brindan una oportunidad única para diseñar, ensamblar y fabricar elementos para mejorar la utilidad y disponibilidad de las lentes GRIN en una amplia gama de sistemas dependientes de la óptica, definidos por las necesidades. Una posible capacidad futura podría ser seguir avanzando en los métodos y herramientas de diseño de lentes, que se combinan con procesos de fabricación ampliados. [17]
La óptica de transformación tiene aplicaciones potenciales para el campo de batalla. Las propiedades versátiles de los metamateriales pueden adaptarse para adaptarse a casi cualquier necesidad práctica, y la óptica de transformación muestra que el espacio para la luz se puede doblar de casi cualquier forma arbitraria. Se percibe que esto proporciona nuevas capacidades a los soldados en el campo de batalla. Para los escenarios de campo de batalla, los beneficios de los metamateriales tienen impactos tanto a corto como a largo plazo. [18]
Por ejemplo, determinar si una nube en la distancia es inofensiva o un aerosol de guerra química o biológica enemiga es muy difícil de evaluar rápidamente. Sin embargo, con los nuevos metamateriales que se están desarrollando, existe la capacidad de ver cosas más pequeñas que la longitud de onda de la luz, algo que aún no se ha logrado en el campo lejano . El uso de metamateriales en la creación de una nueva lente puede permitir a los soldados ver patógenos y virus que son imposibles de detectar con cualquier dispositivo visual. [18]
Aprovechar las capacidades de sublongitud de onda permitirá otros avances que parecen estar más allá del campo de batalla. Se podrían fabricar todo tipo de materiales mediante nanofabricación, que podrían utilizarse en dispositivos electrónicos y ópticos, desde gafas de visión nocturna hasta sensores de distancia y otros tipos de sensores. Las visiones a más largo plazo incluyen la posibilidad de utilizar materiales de camuflaje, que proporcionarían "invisibilidad" al redirigir la luz alrededor de una forma cilíndrica. [18]
Una teoría publicada recientemente ha sugerido que, en principio, es posible un manto de invisibilidad, al menos en una banda de frecuencia estrecha.
Describimos aquí la primera realización práctica de tal manto.
Notas del curso del MIT sobre la derivación de la óptica de transformación.
Los metamateriales más nuevos prometen propiedades ópticas personalizadas