El encubrimiento de metamateriales es el uso de metamateriales en una capa de invisibilidad . Esto se logra manipulando los caminos recorridos por la luz a través de un nuevo material óptico. Los metamateriales dirigen y controlan la propagación y transmisión de partes específicas del espectro de luz y demuestran el potencial de hacer que un objeto parezca invisible. El encubrimiento de metamateriales, basado en la óptica de transformación , describe el proceso de proteger algo de la vista mediante el control de la radiación electromagnética . Los objetos en el lugar definido todavía están presentes, pero las ondas incidentes se guían a su alrededor sin verse afectadas por el objeto en sí. [1] [2] [3] [4] [5]
Los metamateriales electromagnéticos responden a partes seleccionadas de la luz irradiada, también conocida como espectro electromagnético , de una manera que es difícil o imposible de lograr con materiales naturales . En otras palabras, estos metamateriales pueden definirse además como materiales compuestos estructurados artificialmente , que interactúan con luz que normalmente no está disponible en la naturaleza ( interacciones electromagnéticas ). Al mismo tiempo, los metamateriales tienen el potencial de diseñarse y construirse con propiedades deseables que se ajusten a una necesidad específica. Esa necesidad estará determinada por la aplicación particular. [2] [6] [7]
La estructura artificial para aplicaciones de encubrimiento es un diseño de celosía (una red que se repite secuencialmente) de elementos idénticos. Además, para las frecuencias de microondas , estos materiales son análogos a los cristales para óptica . Además, un metamaterial está compuesto por una secuencia de elementos y espaciamientos, que son mucho más pequeños que la longitud de onda de luz seleccionada . La longitud de onda seleccionada podría ser radiofrecuencia , microondas u otras radiaciones, que ahora apenas comienzan a llegar a las frecuencias visibles . Las propiedades macroscópicas se pueden controlar directamente ajustando las características de los elementos rudimentarios y su disposición sobre o en todo el material. Además, estos metamateriales son una base para construir dispositivos de camuflaje muy pequeños en anticipación de dispositivos más grandes, adaptables a un amplio espectro de luz irradiada. [2] [6] [8]
Por lo tanto, aunque la luz consta de un campo eléctrico y un campo magnético , los materiales ópticos ordinarios, como las lentes de los microscopios ópticos , tienen una fuerte reacción sólo al campo eléctrico. La interacción magnética correspondiente es esencialmente nula. Esto da como resultado sólo los efectos ópticos más comunes , como la refracción ordinaria con limitaciones de difracción comunes en lentes e imágenes . [2] [6] [8]
Desde los inicios de las ciencias ópticas , hace siglos, la capacidad de controlar la luz con materiales se ha limitado a estos efectos ópticos comunes. Los metamateriales, por otro lado, son capaces de una interacción o acoplamiento muy fuerte con el componente magnético de la luz. Por lo tanto, el rango de respuesta a la luz irradiada se amplía más allá de las limitaciones ópticas ordinarias que describen las ciencias de la óptica física y la física óptica . Además, como materiales construidos artificialmente, tanto los componentes magnéticos como eléctricos de la luz irradiada se pueden controlar a voluntad, de cualquier forma deseada a medida que viaja, o se propaga con mayor precisión , a través del material. Esto se debe a que el comportamiento de un metamaterial generalmente se forma a partir de componentes individuales, y cada componente responde de forma independiente a un espectro de luz irradiado . En este momento, sin embargo, los metamateriales son limitados. No se ha logrado el encubrimiento en un amplio espectro de frecuencias , incluido el espectro visible . La disipación , la absorción y la dispersión también son inconvenientes actuales, pero este campo aún se encuentra en sus inicios optimistas. [2] [6] [8]
El campo de la óptica de transformación se basa en los efectos producidos por los metamateriales. [1]
La óptica de la transformación tiene su origen en las conclusiones de dos investigaciones. Fueron publicados el 25 de mayo de 2006 en el mismo número de Science , una revista revisada por pares. Los dos artículos son 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. [2] [9] [10]
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. Más bien, son los valores de los parámetros elegidos de los materiales los que se "transforman" o alteran durante un período de tiempo determinado. Así, la óptica de transformación se desarrolló a partir de la capacidad de elegir los parámetros para un material determinado. Por lo tanto, dado que las ecuaciones de Maxwell conservan la misma forma, son los valores sucesivos de los parámetros, permitividad y permeabilidad , los que cambian con el tiempo. Además, 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 en un metamaterial, que pueden controlarse a voluntad. Por tanto, la óptica de transformación es un nuevo método para crear dispositivos ópticos novedosos y únicos . [1] [2] [7] [9] [11] [12]
El propósito de un dispositivo de camuflaje es ocultar algo, de modo que una región definida del espacio quede aislada de forma invisible del paso de campos electromagnéticos (u ondas sonoras ), como ocurre con el camuflaje metamaterial . [5] [13]
Ocultar objetos, o hacerlos parecer invisibles con metamateriales , es más o menos análogo a la prestidigitación de un mago o sus trucos con espejos. El objeto o sujeto realmente no desaparece; la desaparición es una ilusión. Con el mismo objetivo, los investigadores emplean metamateriales para crear puntos ciegos dirigidos desviando determinadas partes del espectro luminoso (espectro electromagnético). Es el espectro de luz, como medio de transmisión , el que determina lo que el ojo humano puede ver. [14]
En otras palabras, la luz se refracta o refleja determinando la vista, el color o la ilusión que se ve. La extensión visible de la luz se ve en un espectro cromático como el arco iris . Sin embargo, la luz visible es sólo una parte de un amplio espectro que se extiende más allá del sentido de la vista. Por ejemplo, hay otras partes del espectro luminoso que se utilizan habitualmente en la actualidad. El espectro de microondas es utilizado por radares , teléfonos móviles e Internet inalámbrico . El espectro infrarrojo se utiliza para tecnologías de imágenes térmicas , que pueden detectar un cuerpo caliente en medio de un ambiente nocturno más fresco, y la iluminación infrarroja se combina con cámaras digitales especializadas para visión nocturna . Los astrónomos emplean la banda de terahercios en observaciones submilimétricas para responder preguntas cosmológicas profundas .
Además, la energía electromagnética es energía luminosa, pero sólo una pequeña parte de ella es luz visible . Esta energía viaja en ondas. Las longitudes de onda más cortas, como la luz visible y la infrarroja , transportan más energía por fotón que las ondas más largas, como las microondas y las ondas de radio . Para las ciencias , el espectro luminoso se conoce como espectro electromagnético . [14] [15] [16] [17]
Los prismas , espejos y lentes tienen una larga historia de alterar la luz visible difractada que lo rodea todo. Sin embargo, el control que presentan estos materiales ordinarios es limitado. Además, el único material común entre estos tres tipos de directores de luz es el vidrio convencional . Por lo tanto, estas tecnologías familiares están limitadas por las leyes físicas fundamentales de la óptica . Con los metamateriales en general, y la tecnología de camuflaje en particular, parece que estas barreras se desintegran con avances en materiales y tecnologías nunca antes realizados en las ciencias físicas naturales . Estos materiales únicos se hicieron notables porque la radiación electromagnética se puede doblar, reflejar o desviar de nuevas maneras. La luz irradiada podría incluso ralentizarse o capturarse antes de su transmisión. En otras palabras, se están desarrollando nuevas formas de enfocar y proyectar la luz y otras radiaciones. Además, los poderes ópticos ampliados que se presentan en la ciencia del ocultamiento de objetos parecen ser tecnológicamente beneficiosos en un amplio espectro de dispositivos que ya están en uso. Esto significa que cualquier dispositivo con funciones básicas que dependan de la interacción con el espectro electromagnético radiado podría avanzar tecnológicamente. Con estos primeros pasos se ha establecido una clase completamente nueva de óptica. [15] [18] [19] [20] [21]
El interés por las propiedades de la óptica y la luz se remonta a casi 2000 años, hasta Ptolomeo (85-165 d.C.). En su obra titulada Óptica , escribe sobre las propiedades de la luz , incluidas la reflexión , la refracción y el color . Desarrolló una ecuación simplificada para la refracción sin funciones trigonométricas . Unos 800 años después, en el año 984 d. C., Ibn Sahl descubrió una ley de refracción matemáticamente equivalente a la ley de Snell . Le siguió el científico islámico más notable, Ibn Al-Haytham (c.965-1039), considerado "una de las pocas figuras más destacadas de la óptica de todos los tiempos". [22] Hizo avances significativos en la ciencia de la física en general, y en la óptica en particular. Se anticipó en cientos de años a las leyes universales de la luz articuladas por los científicos del siglo XVII. [15] [22] [23] [24]
En el siglo XVII, tanto a Willebrord Snellius como a Descartes se les atribuyó el descubrimiento de la ley de refracción. Fue Snellius quien notó que la ecuación de refracción de Ptolomeo era inexacta. En consecuencia, estas leyes se han transmitido sin cambios durante unos 400 años, como las leyes de la gravedad. [15] [22] [23] [24]
La radiación electromagnética y la materia tienen una relación simbiótica. La radiación no actúa simplemente sobre un material, ni tampoco actúa simplemente sobre ella un material determinado. La radiación interactúa con la materia . Las aplicaciones de encubrimiento que emplean metamateriales alteran la forma en que los objetos interactúan con el espectro electromagnético . La visión guía de la capa metamaterial es un dispositivo que dirige el flujo de luz suavemente alrededor de un objeto, como el agua que fluye junto a una roca en un arroyo, sin reflejo , volviendo el objeto invisible. En realidad, los simples dispositivos de camuflaje del presente son imperfectos y tienen limitaciones. [14] [15] [25] [26] [27] [28] Un desafío hasta la fecha actual ha sido la incapacidad de los metamateriales y dispositivos de camuflaje para interactuar en frecuencias o longitudes de onda dentro del espectro de luz visible. [3] [28] [29]
El principio de encubrimiento, con un dispositivo de encubrimiento, se probó (demostró) por primera vez en frecuencias en la banda de radiación de microondas el 19 de octubre de 2006. Esta demostración utilizó un pequeño dispositivo de encubrimiento. Su altura era de menos de media pulgada (<13 mm) y su diámetro de cinco pulgadas (125 mm), y desvió con éxito las microondas a su alrededor. El objeto a ocultar a la vista, un pequeño cilindro, se colocó en el centro del dispositivo. La capa de invisibilidad desvió los rayos de microondas para que fluyeran alrededor del interior del cilindro con sólo una pequeña distorsión, haciendo que pareciera casi como si no hubiera nada allí.
Un dispositivo de este tipo implica típicamente rodear el objeto que se va a recubrir con una coraza que afecta el paso de la luz cerca de él. Hubo una reducción del reflejo de las ondas electromagnéticas (microondas) del objeto. A diferencia de un material natural homogéneo, cuyas propiedades materiales son las mismas en todas partes, las propiedades materiales de la capa varían de un punto a otro, y cada punto está diseñado para interacciones electromagnéticas específicas (inhomogeneidad) y son diferentes en diferentes direcciones (anisotropía). Esto logra un gradiente en las propiedades del material. El informe asociado fue publicado en la revista Science . [3] [18] [29] [30]
Aunque se trata de una demostración exitosa, se pueden mostrar tres limitaciones notables. En primer lugar, dado que su eficacia era sólo en el espectro de microondas, el pequeño objeto es algo invisible sólo en las frecuencias de microondas. Esto significa que no se ha logrado la invisibilidad para el ojo humano , que sólo ve dentro del espectro visible . Esto se debe a que las longitudes de onda del espectro visible son tangiblemente más cortas que las de las microondas. Sin embargo, esto se consideró el primer paso hacia un dispositivo de ocultación de la luz visible, aunque se necesitarían técnicas más avanzadas relacionadas con la nanotecnología debido a las longitudes de onda cortas de la luz. En segundo lugar, sólo se pueden hacer que los objetos pequeños parezcan aire circundante. En el caso de la demostración de prueba de encubrimiento de 2006, el objeto oculto a la vista, un cilindro de cobre , tendría que tener menos de cinco pulgadas de diámetro y menos de media pulgada de alto. En tercer lugar, el encubrimiento sólo puede ocurrir en una banda de frecuencia estrecha, para cualquier manifestación determinada. Esto significa que una capa de banda ancha, que funciona en todo el espectro electromagnético , desde radiofrecuencias hasta microondas, espectro visible y rayos X , no está disponible en este momento. Esto se debe a la naturaleza dispersiva de los metamateriales actuales. La transformación de coordenadas ( óptica de transformación ) requiere parámetros materiales extraordinarios a los que sólo se puede acceder mediante el uso de elementos resonantes , que son inherentemente de banda estrecha y dispersivos en resonancia. [1] [3] [4] [18] [29]
A principios del nuevo milenio, los metamateriales se establecieron como un nuevo medio extraordinario que amplió las capacidades de control sobre la materia . Por lo tanto, los metamateriales se aplican a aplicaciones de encubrimiento por varias razones. En primer lugar, el parámetro conocido como respuesta material tiene un rango más amplio. En segundo lugar, la respuesta material puede controlarse a voluntad. [15]
En tercer lugar, los componentes ópticos, como las lentes, responden a la luz dentro de un rango definido . Como se dijo anteriormente, el rango de respuesta se conoce y se estudia desde Ptolomeo , hace mil ochocientos años. No se pudo superar efectivamente el rango de respuesta, porque los materiales naturales demostraron ser incapaces de hacerlo. En estudios e investigaciones científicas, una forma de comunicar el rango de respuesta es el índice de refracción de un material óptico determinado. Hasta ahora, todos los materiales naturales sólo permiten un índice de refracción positivo. Los metamateriales, por otro lado, son una innovación que puede lograr un índice de refracción negativo, un índice de refracción cero y valores fraccionarios entre cero y uno. De ahí que los metamateriales amplíen la respuesta material, entre otras capacidades. Sin embargo, la refracción negativa no es el efecto que crea el camuflaje de invisibilidad. Es más exacto decir que las gradaciones del índice de refracción, cuando se combinan, crean un encubrimiento de invisibilidad. En cuarto y último lugar, los metamateriales demuestran la capacidad de ofrecer respuestas elegidas a voluntad. [15]
Antes de construir el dispositivo se realizaron estudios teóricos. El siguiente es uno de los dos estudios aceptados simultáneamente por una revista científica, además de distinguirse como uno de los primeros trabajos teóricos publicados sobre una capa de invisibilidad.
La explotación de la "luz", el espectro electromagnético , se logra con objetos y materiales comunes que controlan y dirigen los campos electromagnéticos . Por ejemplo, se utiliza una lente de vidrio en una cámara para producir una imagen, se puede usar una jaula de metal para proteger equipos sensibles y las antenas de radio están diseñadas para transmitir y recibir transmisiones diarias de FM. Los materiales homogéneos , que manipulan o modulan la radiación electromagnética , como las lentes de vidrio, están limitados en el límite superior de refinamientos para corregir las aberraciones. Las combinaciones de materiales de lentes no homogéneos pueden emplear índices de refracción gradientes , pero los rangos tienden a ser limitados. [2]
Los metamateriales se introdujeron hace aproximadamente una década y amplían el control de partes del espectro electromagnético ; desde microondas hasta terahercios e infrarrojos . En teoría, los metamateriales, como medio de transmisión , eventualmente expandirán el control y la dirección de los campos electromagnéticos hacia el espectro visible . Por lo tanto, en 2006 se introdujo una estrategia de diseño para mostrar que un metamaterial se puede diseñar con valores positivos o negativos de permitividad y permeabilidad asignados arbitrariamente , que también se pueden variar de forma independiente a voluntad. Entonces se hace posible el control directo de los campos electromagnéticos, lo cual es relevante para el diseño de lentes novedosos e inusuales, así como un componente de la teoría científica para el ocultamiento de objetos frente a la detección electromagnética. [2]
Cada componente responde de forma independiente a una onda electromagnética radiada a medida que viaja a través del material, lo que resulta en una falta de homogeneidad electromagnética para cada componente. Cada componente tiene su propia respuesta a los campos eléctricos y magnéticos externos de la fuente radiada . Dado que estos componentes son más pequeños que la longitud de onda radiada , se entiende que una vista macroscópica incluye un valor efectivo tanto para la permitividad como para la permeabilidad. Estos materiales obedecen las leyes de la física , pero se comportan de manera diferente a los materiales normales. Los metamateriales son materiales artificiales diseñados para proporcionar propiedades que "pueden no estar fácilmente disponibles en la naturaleza". Estos materiales generalmente obtienen sus propiedades de la estructura más que de la composición, utilizando la inclusión de pequeñas faltas de homogeneidad para representar un comportamiento macroscópico efectivo .
Las unidades estructurales de los metamateriales se pueden adaptar en forma y tamaño. Su composición y su forma o estructura se pueden ajustar con precisión. Se pueden diseñar inclusiones y luego colocarlas en los lugares deseados para variar la función de un material determinado. Como la red es constante, las células son más pequeñas que la luz irradiada. [6] [31] [32] [33]
La estrategia de diseño tiene como núcleo metamateriales compuestos no homogéneos que dirigen, a voluntad, cantidades conservadas de electromagnetismo . Estas cantidades son específicamente el campo de desplazamiento eléctrico D , la intensidad del campo magnético B y el vector de Poynting S. Teóricamente, en lo que respecta a las cantidades o campos conservados, el metamaterial exhibe una doble capacidad. En primer lugar, los campos se pueden concentrar en una dirección determinada. En segundo lugar, se les puede hacer que eviten o rodeen objetos, regresando sin perturbaciones a su trayectoria original. Estos resultados son consistentes con las ecuaciones de Maxwell y son más que la simple aproximación de rayos que se encuentra en la óptica geométrica . Por lo tanto, en principio estos efectos pueden abarcar todas las formas de fenómenos de radiación electromagnética en todas las escalas de longitud. [2] [9] [34]
La estrategia de diseño hipotética comienza con la elección intencional de una configuración de un número arbitrario de fuentes integradas. Estas fuentes se convierten en respuestas localizadas de permitividad , ε y permeabilidad magnética , μ. Las fuentes están integradas en un medio de transmisión seleccionado arbitrariamente con características dieléctricas y magnéticas . Como sistema electromagnético, el medio se puede representar esquemáticamente como una rejilla. [2]
El primer requisito podría ser mover un campo eléctrico uniforme a través del espacio, pero en una dirección definida, que evite un objeto u obstáculo. A continuación, retire e incruste el sistema en un medio elástico que se pueda deformar, torcer, tirar o estirar según se desee. La condición inicial de los campos se registra en una malla cartesiana. A medida que el medio elástico se distorsiona en una o combinación de las posibilidades descritas, la malla cartesiana registra el mismo proceso de tracción y estiramiento. Ahora se puede registrar el mismo conjunto de contorsiones, que se producen como transformación de coordenadas :
Por lo tanto, la permitividad, ε, y la permeabilidad, μ, se calibran proporcionalmente mediante un factor común. Esto implica que, de forma menos precisa, ocurre lo mismo con el índice de refracción. Los valores renormalizados de permitividad y permeabilidad se aplican en el nuevo sistema de coordenadas. Para las ecuaciones de renormalización, consulte la ref. #. [2]
Dados los parámetros de funcionamiento anteriores, ahora se puede demostrar que el sistema, un metamaterial, es capaz de ocultar un objeto de tamaño arbitrario. Su función es manipular los rayos entrantes, que están a punto de incidir en el objeto. En cambio, estos rayos entrantes son dirigidos electromagnéticamente alrededor del objeto por el metamaterial, que luego los devuelve a su trayectoria original. Como parte del diseño, se puede suponer que ninguna radiación sale del volumen oculto del espacio y que ninguna radiación puede entrar en el espacio. Como lo ilustra la función del metamaterial, cualquier radiación que intente penetrar se dirige alrededor del espacio o del objeto dentro del espacio, regresando a la dirección inicial. A cualquier observador le parece que el volumen de espacio oculto está vacío, incluso con un objeto presente allí. Un objeto arbitrario puede quedar oculto porque permanece intacto por la radiación externa. [2]
Se elige una esfera con radio R 1 como objeto a ocultar. La región de ocultación debe estar contenida dentro del anillo R 1 < r < R 2 . Se puede encontrar una transformación simple que logre el resultado deseado tomando todos los campos en la región r < R 2 y comprimiéndolos en la región R 1 < r < R 2 . Las transformaciones de coordenadas no alteran las ecuaciones de Maxwell. Sólo los valores de ε ′ y μ ′ cambian con el tiempo.
Hay cuestiones que abordar para lograr el encubrimiento de invisibilidad. Un problema relacionado con el trazado de rayos son los efectos anisotrópicos del material sobre los rayos electromagnéticos que ingresan al "sistema". Los haces paralelos de rayos ( ver imagen de arriba ), que se dirigen directamente hacia el centro, se curvan abruptamente y, junto con los rayos vecinos, se ven obligados a formar arcos cada vez más cerrados . Esto se debe a los rápidos cambios en la permitividad ε ′ y la permeabilidad μ ′ , que ahora están cambiando y transformándose . La segunda cuestión es que, si bien se ha descubierto que los metamateriales seleccionados son capaces de trabajar dentro de los parámetros de los efectos anisotrópicos y el desplazamiento continuo de ε ′ y μ ′ , los valores de ε ′ y μ ′ no pueden ser muy grandes o muy pequeña. El tercer problema es que los metamateriales seleccionados actualmente no pueden lograr capacidades de espectro de frecuencia amplio . Esto se debe a que los rayos deben curvarse alrededor de la esfera "oculta" y, por lo tanto, tienen trayectorias más largas que las que atraviesan el espacio libre o el aire. Sin embargo, los rayos deben llegar al otro lado de la esfera en fase con la luz irradiada inicialmente . Si esto sucede, entonces la velocidad de fase excede la velocidad de la luz en el vacío , que es el límite de velocidad del universo. (Tenga en cuenta que esto no viola las leyes de la física). Y, con la ausencia requerida de dispersión de frecuencia , la velocidad del grupo será idéntica a la velocidad de fase . En el contexto de este experimento, la velocidad del grupo nunca puede exceder la velocidad de la luz, por lo que los parámetros analíticos son efectivos solo para una frecuencia . [2]
El objetivo entonces es no crear ninguna diferencia discernible entre un volumen de espacio oculto y la propagación de ondas electromagnéticas a través del espacio vacío. Parecería que no es probable lograr un agujero perfectamente oculto (100%), donde se pueda colocar un objeto y ocultarlo a la vista. El problema es el siguiente: para transmitir imágenes, la luz se propaga en un rango continuo de direcciones. Los datos de dispersión de las ondas electromagnéticas, después de rebotar en un objeto o agujero, son únicos en comparación con la luz que se propaga a través del espacio vacío y, por lo tanto, se perciben fácilmente. La luz que se propaga a través del espacio vacío sólo es consistente con el espacio vacío. Esto incluye frecuencias de microondas. [9]
Aunque el razonamiento matemático muestra que no es probable una ocultación perfecta debido a la naturaleza ondulatoria de la luz, este problema no se aplica a los rayos electromagnéticos, es decir, al dominio de la óptica geométrica . Las imperfecciones se pueden hacer de forma arbitraria y exponencialmente pequeñas para objetos que son mucho más grandes que la longitud de onda de la luz. [9]
Matemáticamente, esto implica n < 1, porque los rayos siguen el camino más corto y, por tanto, en teoría crean un ocultamiento perfecto. En la práctica, se produce una cierta cantidad de visibilidad aceptable, como se señaló anteriormente. El rango del índice de refracción del dieléctrico (material óptico) debe abarcar un amplio espectro para lograr la ocultación, con la ilusión creada por la propagación de ondas a través del espacio vacío. Estos lugares donde n <1 serían el camino más corto para el rayo alrededor del objeto sin distorsión de fase. La propagación artificial del espacio vacío podría alcanzarse en el rango de microondas a terahercios . En la tecnología furtiva , la adaptación de impedancias podría dar como resultado la absorción de ondas electromagnéticas emitidas en lugar de su reflexión y, por lo tanto, la evasión de la detección por radar . Estos principios generales también se pueden aplicar a las ondas sonoras , donde el índice n describe la relación entre la velocidad de fase local de la onda y el valor global. Por lo tanto, sería útil proteger un espacio de cualquier detección de origen sonoro. Esto también implica protección contra el sonar. Además, estos principios generales son aplicables en diversos campos como la electrostática , la mecánica de fluidos , la mecánica clásica y el caos cuántico . [9]
Matemáticamente, se puede demostrar que la propagación de ondas es indistinguible del espacio vacío donde los rayos de luz se propagan en línea recta. El medio realiza un mapeo óptico conforme al espacio vacío. [9]
Entonces, el siguiente paso es ocultar un objeto controlando los campos electromagnéticos. Ahora, la capacidad demostrada y teórica para campos electromagnéticos controlados ha abierto un nuevo campo, la óptica de transformación . Esta nomenclatura se deriva de transformaciones de coordenadas utilizadas para crear vías variables para la propagación de la luz a través de un material. Esta demostración se basa en prescripciones teóricas previas, junto con la realización del experimento del prisma. Una posible aplicación de la óptica y los materiales de transformación es el encubrimiento electromagnético con el fin de hacer que un volumen u objeto sea indetectable ante la radiación incidente, incluido el sondeo radiado. [3] [35] [36]
Esta demostración, por primera vez, de cómo ocultar realmente un objeto con campos electromagnéticos, utiliza el método de variación espacial diseñada expresamente. Este es un efecto de incrustar fuentes electromagnéticas diseñadas expresamente en el metamaterial. [37]
Como se analizó anteriormente, los campos producidos por el metamaterial se comprimen en una capa (transformaciones de coordenadas) que rodea el volumen ahora oculto. Anteriormente esta era una teoría respaldada; Este experimento demostró que el efecto realmente ocurre. Las ecuaciones de Maxwell son escalares cuando se aplican coordenadas transformacionales, solo se ven afectados el tensor de permitividad y el tensor de permeabilidad, que luego se vuelven espacialmente variantes y direccionalmente dependientes a lo largo de diferentes ejes. Los investigadores afirman :
Al implementar estas complejas propiedades materiales, el volumen oculto más el manto parecen tener las propiedades del espacio libre cuando se ven desde afuera. Por lo tanto, la capa no dispersa ondas ni imparte una sombra en ninguna de las cuales permitiría detectar la capa. Otros enfoques hacia la invisibilidad se basan en la reducción de la retrodispersión o hacen uso de una resonancia en la que las propiedades del objeto encubierto y del objeto deben coincidir cuidadosamente. ... Los avances en el desarrollo de [metamateriales de índice negativo], especialmente con respecto a lentes de índice de gradiente, han hecho factible la realización física de las propiedades complejas especificadas del material. Implementamos una capa bidimensional (2D) porque sus requisitos de fabricación y medición eran más simples que los de una capa 3D. [3]
Antes de la demostración real, además de las simulaciones, se determinaron computacionalmente los límites experimentales de los campos transformacionales, ya que ambos se utilizaron para determinar la efectividad del manto. [3]
Un mes antes de esta demostración, en septiembre de 2006 se publicaron los resultados de un experimento para mapear espacialmente los campos electromagnéticos internos y externos del metamaterial refractivo negativo. [37] Esto fue innovador porque antes de esto los campos de microondas se medían sólo externamente. [37] En este experimento de septiembre se midieron la permitividad y permeabilidad de las microestructuras (en lugar de la macroestructura externa) de las muestras de metamateriales, así como la dispersión por los metamateriales de índice negativo bidimensional. [37] Esto dio un índice de refracción efectivo promedio, lo que da como resultado asumir un metamaterial homogéneo. [37]
Empleando esta técnica para este experimento, se realizó un mapeo espacial de las fases y amplitudes de las radiaciones de microondas que interactúan con muestras de metamateriales. El rendimiento de la capa se confirmó comparando los mapas de campo medidos con simulaciones. [3]
Para esta demostración, el objeto oculto era un cilindro conductor en el radio interior de la capa. Al ser el objeto más grande posible diseñado para este volumen de espacio, tiene las propiedades de dispersión más sustanciales. El cilindro conductor quedó efectivamente oculto en dos dimensiones. [3]
La definición de frecuencia óptica, en la literatura sobre metamateriales, abarca desde el infrarrojo lejano hasta el infrarrojo cercano, pasando por el espectro visible, e incluye al menos una parte del ultravioleta. Hasta la fecha, cuando la literatura hace referencia a frecuencias ópticas, casi siempre se trata de frecuencias en el infrarrojo, que está por debajo del espectro visible. En 2009, un grupo de investigadores anunció el ocultamiento de frecuencias ópticas. En este caso, la frecuencia de ocultación se centró en 1.500 nm o 1,5 micrómetros: el infrarrojo. [38] [39]
En enero de 2011 se demostró un dispositivo de metamaterial de laboratorio, aplicable a ondas ultrasónicas. Puede aplicarse a longitudes de onda de sonido correspondientes a frecuencias de 40 a 80 kHz.
La capa acústica metamaterial está diseñada para ocultar objetos sumergidos en agua. El mecanismo de encubrimiento de metamaterial dobla y tuerce las ondas sonoras mediante un diseño intencional.
El mecanismo de camuflaje consta de 16 anillos concéntricos en una configuración cilíndrica. Cada anillo tiene circuitos acústicos. Está diseñado intencionalmente para guiar ondas sonoras en dos dimensiones.
Cada anillo tiene un índice de refracción diferente . Esto hace que las ondas sonoras varíen su velocidad de un anillo a otro. "Las ondas sonoras se propagan alrededor del anillo exterior, guiadas por los canales de los circuitos, que curvan las ondas para envolverlas alrededor de las capas exteriores del manto". Forma una serie de cavidades que reducen la velocidad de las ondas sonoras que se propagan. Un cilindro experimental fue sumergido y luego desapareció del sonar . Otros objetos de diversas formas y densidades también quedaron ocultos al sonar. La capa acústica demostró eficacia para frecuencias de 40 kHz a 80 kHz. [40] [41] [42] [43]
En 2014, los investigadores crearon una capa acústica en 3D a partir de láminas de plástico apiladas salpicadas de patrones repetidos de agujeros. La geometría piramidal de la pila y la ubicación de los agujeros proporcionan el efecto. [44]
En 2014, los científicos demostraron un buen rendimiento de camuflaje en aguas turbias, demostrando que un objeto envuelto en niebla puede desaparecer por completo cuando se recubre adecuadamente con metamaterial. Esto se debe a la dispersión aleatoria de la luz, como la que se produce en las nubes, la niebla, la leche, el vidrio esmerilado, etc., combinada con las propiedades del revestimiento del metatmaterial. Cuando la luz se difunde, una fina capa de metamaterial alrededor de un objeto puede hacerlo esencialmente invisible bajo una variedad de condiciones de iluminación. [45] [46]
Si se aplica una transformación a coordenadas cuasi ortogonales a las ecuaciones de Maxwell para ocultar una perturbación en un plano conductor plano en lugar de un punto singular, como en la primera demostración de una capa basada en óptica de transformación, entonces se puede ocultar un objeto debajo. la perturbación. [47] Esto a veces se denomina capa de "alfombra".
Como se señaló anteriormente, la capa original demostró utilizar elementos metamateriales resonantes para cumplir con las limitaciones materiales efectivas. La utilización de una transformación cuasi-conforme en este caso, en lugar de la transformación original no conforme, cambió las propiedades del material requeridas. A diferencia de la capa original (expansión singular), la capa de "alfombra" requería valores materiales menos extremos. La capa de alfombra cuasi conformal requería materiales anisotrópicos y no homogéneos que sólo variaban en permitividad . Además, la permitividad siempre fue positiva. Esto permitió el uso de elementos metamateriales no resonantes para crear la capa, aumentando significativamente el ancho de banda.
Se utilizó un proceso automatizado, guiado por un conjunto de algoritmos , para construir un metamaterial que consta de miles de elementos, cada uno con su propia geometría . El desarrollo del algoritmo permitió automatizar el proceso de fabricación , lo que resultó en la fabricación del metamaterial en nueve días. El dispositivo anterior utilizado en 2006 era rudimentario en comparación, y el proceso de fabricación requirió cuatro meses para crear el dispositivo. [4] Estas diferencias se deben en gran medida a la diferente forma de transformación: la capa original de 2006 transformó un punto singular, mientras que la versión del plano terrestre transforma un plano, y la transformación en la capa de alfombra fue casi conforme, en lugar de no-conforme. conforme.
Otras teorías del encubrimiento analizan varias teorías basadas en la ciencia y la investigación para producir una capa electromagnética de invisibilidad. Las teorías presentadas emplean óptica de transformación , encubrimiento de eventos, cancelación de dispersión dipolar, transmisión de luz de túnel, sensores y fuentes activas, y encubrimiento acústico .
La investigación en el campo de los metamateriales se ha difundido en los departamentos de investigación científica del gobierno estadounidense, incluido el Comando de Sistemas Aéreos Navales de los EE. UU ., la Fuerza Aérea de los EE. UU . y el Ejército de los EE. UU . Muchas instituciones científicas están involucradas, incluidas: [ cita necesaria ]
La financiación para la investigación de esta tecnología corre a cargo de las siguientes agencias estadounidenses : [48]
A través de esta investigación, se ha descubierto que el desarrollo de un método para controlar campos electromagnéticos se puede aplicar para escapar de la detección mediante sondas radiadas o tecnología de sonar , y para mejorar las comunicaciones en el rango de microondas ; que este método es relevante para el diseño de superlentes y para el encubrimiento de objetos dentro y fuera de campos electromagnéticos . [9]
El 20 de octubre de 2006, el día después de que la Universidad de Duke lograra envolver y "desaparecer" un objeto en el rango de microondas, Associated Press informó sobre la historia . [49] Los medios de comunicación que cubrieron la historia incluyeron USA Today, Countdown With Keith Olbermann: Sight Unseen de MSNBC , The New York Times con Cloaking Copper, Scientists Take Step Toward Invisibility , (Londres) The Times con Don't Look Now—Visible Gains in La búsqueda de la invisibilidad , ¿el monitor de la ciencia cristiana desaparece en el aire? Los científicos dan un paso hacia la invisibilidad , Australian Broadcasting, Reuters con la capa de invisibilidad un paso más cerca y (Raleigh) News & Observer con ' La capa de invisibilidad un paso más cerca '. [49]
El 6 de noviembre de 2006, el equipo de investigación y desarrollo de la Universidad de Duke fue seleccionado como parte de los 50 mejores artículos de Scientific American de 2006. [50]
En el mes de noviembre de 2009, "la investigación sobre el diseño y la construcción de 'metamateriales' únicos recibió un impulso de financiación de £4,9 millones. Los metamateriales se pueden utilizar para dispositivos de 'encubrimiento' de invisibilidad, sensores de seguridad sensibles que pueden detectar pequeñas cantidades de sustancias peligrosas y Lentes planas que pueden usarse para fotografiar objetos diminutos mucho más pequeños que la longitud de onda de la luz". [51]
En noviembre de 2010, científicos de la Universidad de St Andrews en Escocia informaron sobre la creación de un material de revestimiento flexible al que llamaron "Metaflex", que podría acercar significativamente las aplicaciones industriales. [52]
En 2014, los ingenieros de Duke construyeron el primer dispositivo acústico 3D del mundo. [53]
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; En nuestra demostración, un cilindro de cobre estaba "oculto" dentro de una capa construida según la prescripción teórica anterior. La capa se construyó utilizando metamateriales estructurados artificialmente, diseñados para funcionar en una banda de frecuencias de microondas. La capa disminuyó la dispersión del objeto oculto y al mismo tiempo redujo su sombra, de modo que la capa y el objeto combinados comenzaron a parecerse a un espacio vacío.
Respaldada por la llegada de los metamateriales, la óptica de transformación ofrece una gran versatilidad para controlar ondas electromagnéticas para crear materiales con propiedades especialmente diseñadas. Aquí revisamos el potencial de la óptica de transformación para crear funcionalidades en las que las propiedades ópticas se pueden diseñar casi a voluntad. Este enfoque se puede utilizar para diseñar varios efectos de ilusión óptica, como la capa de invisibilidad.
{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: Enlace externo en |format={{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)Investigadores de la Universidad de Illinois, dirigidos por el profesor de ingeniería y ciencias mecánicas Nicholas Fang, han desarrollado una capa acústica que vuelve invisibles los objetos sumergidos.
{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: |author2=tiene nombre genérico ( ayuda ) 148 páginas. " Tesis presentada en cumplimiento parcial de los requisitos para el grado de Doctor en Filosofía en el Departamento de Física de la Escuela de Graduados de la Universidad de Duke 2009 "