El encubrimiento metamaterial 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 metamaterial, 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 la ubicación definida siguen 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 radiada, 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 exhiben una interacción con la luz que normalmente no está disponible en la naturaleza ( interacciones electromagnéticas ). Al mismo tiempo, los metamateriales tienen el potencial de ser diseñados y construidos 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 camuflaje es un diseño reticular (una red que se repite secuencialmente) de elementos idénticos. Además, para frecuencias de microondas , estos materiales son análogos a los cristales para la óptica . Además, un metamaterial está compuesto por una secuencia de elementos y espaciamientos que son mucho más pequeños que la longitud de onda de la luz seleccionada . La longitud de onda seleccionada podría ser radiofrecuencia , microondas u otras radiaciones, que ahora están comenzando a alcanzar las frecuencias visibles . Las propiedades macroscópicas se pueden controlar directamente ajustando las características de los elementos rudimentarios y su disposición sobre el material o en todo el material. Además, estos metamateriales son una base para construir dispositivos de camuflaje muy pequeños en previsión de dispositivos más grandes, adaptables a un amplio espectro de luz radiada. [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 solo al campo eléctrico. La interacción magnética correspondiente es esencialmente nula. Esto da como resultado solo los efectos ópticos más comunes , como la refracción ordinaria con limitaciones de difracción comunes en lentes e imágenes . [2] [6] [8]
Desde el comienzo 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 radiada se expande 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 los eléctricos de la luz radiada se pueden controlar a voluntad, de cualquier manera deseada a medida que viaja, o más exactamente se propaga , 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 radiada . En este momento, sin embargo, los metamateriales son limitados. No se ha logrado el encubrimiento a través de un amplio espectro de frecuencias , incluido el espectro visible . La disipación , la absorción y la dispersión también son inconvenientes actuales, pero este campo aún está en su infancia optimista. [2] [6] [8]
El campo de la óptica de transformación se basa en los efectos producidos por los metamateriales. [1]
La óptica de transformación tiene sus inicios en las conclusiones de dos trabajos de investigación, publicados el 25 de mayo de 2006 en el mismo número de Science , una revista revisada por pares. Los dos artículos son teorías defendibles sobre la curvatura o distorsión de la luz para ocultar electromagnéticamente un objeto. Ambos artículos, en particular, trazan un mapa de la configuración inicial de los campos electromagnéticos sobre una malla cartesiana . Al torcer la malla cartesiana, en esencia, se transforman las coordenadas de los campos electromagnéticos, que a su vez ocultan un objeto determinado. Por lo tanto, con estos dos artículos, nace la óptica de transformación. [2] [9] [10]
La óptica de transformación se basa en la capacidad de doblar la luz , o las ondas electromagnéticas y la energía , de cualquier manera preferida o deseada, para una aplicación deseada. Las ecuaciones de Maxwell no varían aunque las coordenadas se transformen. En cambio, son los valores de los parámetros elegidos de los materiales los que se "transforman", o alteran, durante un cierto período de tiempo. Por lo tanto, la óptica de transformación se desarrolló a partir de la capacidad de elegir los parámetros para un material dado. Por lo tanto, dado que las ecuaciones de Maxwell mantienen 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 eléctricos y magnéticos de una fuente de luz radiada 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. El índice de refracción predeterminado convencionalmente de los materiales ordinarios, en cambio, se convierte en gradientes espaciales independientes en un metamaterial, que se puede controlar a voluntad. Por lo 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 esté aislada de manera invisible de los campos electromagnéticos que pasan (u ondas sonoras ), como con el camuflaje metamaterial . [5] [13]
El enmascaramiento de objetos, o hacerlos parecer invisibles con metamateriales , es más o menos análogo a los trucos de magia de un mago o a sus trucos con espejos. El objeto o sujeto en realidad no desaparece; la desaparición es una ilusión. Con el mismo objetivo, los investigadores emplean metamateriales para crear puntos ciegos dirigidos desviando ciertas partes del espectro de luz (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 solo una parte de un espectro amplio, que se extiende más allá del sentido de la vista. Por ejemplo, hay otras partes del espectro de luz que son de uso común hoy en día. El espectro de microondas se utiliza en radares , teléfonos celulares e Internet inalámbrico . El espectro infrarrojo se utiliza para tecnologías de imágenes térmicas , que pueden detectar un cuerpo cálido en medio de un ambiente nocturno más frío, y la iluminación infrarroja se combina con cámaras digitales especializadas para visión nocturna . Los astrónomos emplean la banda de terahercios para 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 de la luz se conoce como espectro electromagnético . [14] [15] [16] [17]
Los prismas , espejos y lentes tienen una larga historia de alteración de la luz visible difractada que lo rodea todo. Sin embargo, el control exhibido por estos materiales ordinarios es limitado. Además, el único material que es 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 sesgar de nuevas maneras. La luz irradiada podría incluso ralentizarse o capturarse antes de la transmisión. En otras palabras, se están desarrollando nuevas formas de enfocar y proyectar la luz y otra radiación. Además, los poderes ópticos expandidos presentados en la ciencia del camuflaje de objetos parecen ser tecnológicamente beneficiosos en un amplio espectro de dispositivos que ya están en uso. Esto significa que cada dispositivo con funciones básicas que dependen de la interacción con el espectro electromagnético irradiado 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 atrás, a Ptolomeo (85-165 d. C.). En su obra titulada Óptica , escribe sobre las propiedades de la luz , incluyendo la reflexión , la refracción y el color . Desarrolló una ecuación simplificada para la refracción sin funciones trigonométricas . Unos 800 años después, en el 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 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 observó que la ecuación de Ptolomeo para la refracción 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 es simplemente actuada por un material dado. 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 para el manto de metamateriales es un dispositivo que dirige el flujo de luz suavemente alrededor de un objeto, como el agua que fluye más allá de una roca en un arroyo, sin reflexión , volviendo invisible al objeto. En realidad, los simples dispositivos de encubrimiento del presente son imperfectos y tienen limitaciones. [14] [15] [25] [26] [27] [28] Un desafío hasta la fecha ha sido la incapacidad de los metamateriales y los dispositivos de encubrimiento 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 invisibilidad, se demostró por primera vez en frecuencias de la banda de radiación de microondas el 19 de octubre de 2006. Esta demostración utilizó un pequeño dispositivo de invisibilidad. 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 que se quería ocultar de 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 cilindro en su interior con solo una distorsión mínima, haciendo que pareciera casi como si no hubiera nada en absoluto allí.
Este tipo de dispositivo normalmente implica rodear el objeto que se va a envolver con una capa que afecta el paso de la luz cerca de él. Se redujo la reflexión de las ondas electromagnéticas (microondas) del objeto. A diferencia de un material natural homogéneo con sus propiedades materiales iguales en todas partes, las propiedades materiales de la capa varían de un punto a otro, con cada punto 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 la demostración fue exitosa, se pueden demostrar tres limitaciones notables. Primero, dado que su efectividad fue solo en el espectro de microondas, el objeto pequeño es algo invisible solo en frecuencias de microondas. Esto significa que no se había logrado la invisibilidad para el ojo humano , que solo ve dentro del espectro visible . Esto se debe a que las longitudes de onda del espectro visible son tangiblemente más cortas que las microondas. Sin embargo, esto se consideró el primer paso hacia un dispositivo de camuflaje para la luz visible, aunque se necesitarían técnicas relacionadas con la nanotecnología más avanzadas debido a las longitudes de onda cortas de la luz. En segundo lugar, solo se puede hacer que los objetos pequeños aparezcan como el aire circundante. En el caso de la demostración de prueba de camuflaje 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. Tercero, el camuflaje solo puede ocurrir en una banda de frecuencia estrecha, para cualquier demostración dada. Esto significa que un camuflaje de banda ancha, que funciona en todo el espectro electromagnético , desde frecuencias de radio hasta microondas, el espectro visible y los 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 que solo se pueden alcanzar 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 utilizan en aplicaciones de encubrimiento por varias razones. En primer lugar, el parámetro conocido como respuesta del material tiene un rango más amplio. En segundo lugar, la respuesta del material se puede controlar a voluntad. [15]
En tercer lugar, los componentes ópticos, como las lentes, responden a la luz dentro de un rango definido . Como se dijo antes, el rango de respuesta se conoce y se estudia desde Ptolomeo , hace mil ochocientos años. El rango de respuesta no se podía superar de manera efectiva, porque los materiales naturales demostraron ser incapaces de hacerlo. En los 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 solo 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. Por lo tanto, los metamateriales extienden la respuesta del material, entre otras capacidades. Sin embargo, la refracción negativa no es el efecto que crea el encubrimiento de invisibilidad. Es más preciso decir que las gradaciones del índice de refracción, cuando se combinan, crean el encubrimiento de invisibilidad. En cuarto y último lugar, los metamateriales demuestran la capacidad de proporcionar respuestas elegidas a voluntad. [15]
Antes de construir el dispositivo, se llevaron a cabo estudios teóricos. El siguiente es uno de los dos estudios aceptados simultáneamente por una revista científica, además de ser reconocido 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, una lente de vidrio en una cámara se utiliza para producir una imagen, una jaula de metal puede usarse 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 de gradiente , 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 . Teóricamente, los metamateriales, como medio de transmisión , eventualmente expandirán el control y la dirección de los campos electromagnéticos al espectro visible . Por lo tanto, en 2006 se introdujo una estrategia de diseño para demostrar que un metamaterial puede diseñarse con valores positivos o negativos de permitividad y permeabilidad asignados arbitrariamente , que también pueden variarse independientemente a voluntad. Entonces se hace posible el control directo de los campos electromagnéticos, lo que es relevante para el diseño de lentes novedoso e inusual, así como un componente de la teoría científica para ocultar objetos de 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 da como resultado 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 en lugar de la composición, utilizando la inclusión de pequeñas inhomogeneidades para lograr un comportamiento macroscópico efectivo .
Las unidades estructurales de los metamateriales pueden ser ajustadas en forma y tamaño. Su composición, forma o estructura, pueden ser ajustadas con precisión. Las inclusiones pueden ser diseñadas y luego colocadas en las ubicaciones deseadas para variar la función de un material dado. Como la red es constante, las celdas 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 conservadas, o campos, el metamaterial exhibe una doble capacidad. Primero, los campos pueden concentrarse en una dirección dada. Segundo, pueden evitarse o rodearse de objetos, volviendo sin perturbaciones a su trayectoria original. Estos resultados son consistentes con las ecuaciones de Maxwell y son más que una simple aproximación de rayos encontrada en óptica geométrica . En consecuencia, 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 puede representarse esquemáticamente como una cuadrícula. [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 pueda deformarse, retorcerse, jalarse o estirarse 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 una 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 referencia n.° [2].
Dados los parámetros de funcionamiento anteriores, el sistema, un metamaterial, puede ahora demostrar que es capaz de ocultar un objeto de tamaño arbitrario. Su función es manipular los rayos entrantes que están a punto de golpear 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 es dirigida alrededor del espacio o del objeto dentro del espacio, volviendo a la dirección inicial. A cualquier observador le parece que el volumen oculto del espacio está vacío, incluso si hay un objeto presente allí. Un objeto arbitrario puede estar 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. Solo los valores de ε ′ y μ ′ cambian con el tiempo.
Hay cuestiones que deben abordarse para lograr el encubrimiento de invisibilidad. Una cuestión, relacionada con el trazado de rayos , son los efectos anisotrópicos del material sobre los rayos electromagnéticos que entran en el "sistema". Los haces paralelos de rayos ( ver imagen anterior ), que se dirigen directamente al centro, se curvan abruptamente y, junto con los rayos vecinos, se ven obligados a formar arcos cada vez más estrechos . 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 cambio continuo de ε ′ y μ ′ , los valores para ε ′ y μ ′ no pueden ser muy grandes o muy pequeños. La tercera cuestión 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 radiada inicial . 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. (Nótese que esto no viola las leyes de la física). Y, con una ausencia requerida de dispersión de frecuencia , la velocidad de grupo será idéntica a la velocidad de fase . En el contexto de este experimento, la velocidad de grupo nunca puede exceder la velocidad de la luz, por lo tanto, los parámetros analíticos son efectivos solo para una frecuencia . [2]
El objetivo es, entonces, crear una diferencia no perceptible entre un volumen oculto de espacio y la propagación de ondas electromagnéticas a través del espacio vacío. Parecería que lograr un agujero perfectamente oculto (100 %), donde se pueda colocar un objeto y ocultarlo de la vista, no es probable. El problema es el siguiente: para transportar 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 es consistente solo con el espacio vacío. Esto incluye las frecuencias de microondas. [9]
Aunque el razonamiento matemático muestra que el ocultamiento perfecto no es probable 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 pueden hacerse arbitrariamente 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 lo 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 el ocultamiento, con la ilusión creada por la propagación de la onda a través del espacio vacío. Estos lugares donde n < 1 sería 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 impedancia podría dar como resultado la absorción de ondas electromagnéticas emitidas en lugar de la reflexión, 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 fuente sonora. 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 las ondas es indistinguible del espacio vacío, donde los rayos de luz se propagan en línea recta. El medio realiza una proyección óptica conforme al espacio vacío. [9]
El siguiente paso, entonces, es ocultar realmente un objeto mediante el control de los campos electromagnéticos. Ahora, la capacidad demostrada y teórica para controlar los campos electromagnéticos ha abierto un nuevo campo, la óptica de transformación . Esta nomenclatura se deriva de las 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 anteriores, junto con la realización del experimento del prisma. Una posible aplicación de la óptica de transformación y los materiales es el encubrimiento electromagnético con el fin de hacer que un volumen u objeto sea indetectable a la radiación incidente, incluida la exploración radiada. [3] [35] [36]
Esta demostración, por primera vez, de cómo ocultar realmente un objeto con campos electromagnéticos utiliza el método de variación espacial diseñada a propósito. Se trata de un efecto de incrustar fuentes electromagnéticas diseñadas a propósito en el metamaterial. [37]
Como se ha comentado anteriormente, los campos producidos por el metamaterial se comprimen en una envoltura (transformaciones de coordenadas) que rodea el volumen ahora oculto. Anteriormente, esta teoría era compatible; este experimento demostró que el efecto se produce realmente. 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 variables y dependientes de la dirección a lo largo de diferentes ejes. Los investigadores afirman :
Al implementar estas propiedades complejas del material, el volumen oculto más la capa parecen tener las propiedades del espacio libre cuando se observan externamente. La capa, por lo tanto, no dispersa las ondas ni imparte una sombra en el interior, lo que permitiría detectar la capa. Otros enfoques para 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 las del interior deben coincidir cuidadosamente. ... Los avances en el desarrollo de [metamateriales de índice negativo], especialmente con respecto a las lentes de índice de gradiente, han hecho posible la realización física de las propiedades complejas del material especificado. 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, se determinaron computacionalmente los límites experimentales de los campos transformacionales, además de las simulaciones, ya que ambos se utilizaron para determinar la efectividad de la capa. [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 de metamateriales de refracción negativa. [37] Esto fue innovador porque antes de esto los campos de microondas se medían solo externamente. [37] En este experimento de septiembre se midieron la permitividad y la 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 bidimensionales. [37] Esto dio un índice de refracción efectivo promedio, lo que da como resultado asumir un metamaterial homogéneo. [37]
Utilizando 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 desempeño 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. Como es 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 se refiere 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 encubrimiento en frecuencias ópticas. En este caso, la frecuencia de encubrimiento se centró en 1500 nm o 1,5 micrómetros, el infrarrojo. [38] [39]
En enero de 2011 se presentó un dispositivo metamaterial de laboratorio aplicable a ondas ultrasónicas. Se puede aplicar 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 el agua. El mecanismo de camuflaje 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 las 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 doblan las ondas para envolverlas alrededor de las capas externas de la capa". Forma una serie de cavidades que reducen la velocidad de propagación de las ondas sonoras. Un cilindro experimental se sumergió y luego desapareció del sonar . Otros objetos de diversas formas y densidades también se ocultaron del sonar. La capa acústica demostró ser efectiva para frecuencias de 40 kHz a 80 kHz. [40] [41] [42] [43]
En 2014, los investigadores crearon una capa acústica tridimensional a partir de láminas de plástico apiladas y salpicadas de patrones repetidos de agujeros. La geometría piramidal de la pila y la colocación 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 lo 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 recubrimiento de metamaterial. Cuando la luz se difunde, una fina capa de metamaterial alrededor de un objeto puede hacerlo esencialmente invisible en 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 de la perturbación. [47] Esto a veces se conoce como una capa de "alfombra".
Como se señaló anteriormente, la capa original demostró utilizar elementos metamateriales resonantes para cumplir con las restricciones materiales efectivas. El uso de una transformación cuasiconforme en este caso, en lugar de la transformación original no conforme, cambió las propiedades requeridas del material. A diferencia de la capa original (expansión singular), la capa "alfombra" requirió valores materiales menos extremos. La capa alfombra cuasiconforme requirió materiales anisotrópicos, no homogéneos que solo variaban en permitividad . Además, la permitividad siempre fue positiva. Esto permitió el uso de elementos metamateriales no resonantes para crear la capa, lo que aumentó significativamente el ancho de banda.
Se utilizó un proceso automatizado, guiado por un conjunto de algoritmos , para construir un metamaterial que constaba de miles de elementos, cada uno con su propia geometría . El desarrollo del algoritmo permitió automatizar el proceso de fabricación , lo que dio como resultado 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 de plano de tierra transforma un plano, y la transformación en la capa de alfombra fue cuasiconforme, en lugar de no conforme.
Otras teorías sobre el encubrimiento analizan diversas teorías basadas en la ciencia y la investigación para producir un manto electromagnético de invisibilidad. Las teorías presentadas emplean óptica de transformación , encubrimiento de eventos, cancelación de dispersión dipolar, transmisión de luz por efecto 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, incluidos el Comando de Sistemas Aéreos Navales de EE. UU. , la Fuerza Aérea de EE. UU. y el Ejército de EE. UU . Participan muchas instituciones científicas, entre ellas: [ cita requerida ]
La financiación de la investigación sobre esta tecnología proviene de las siguientes agencias estadounidenses : [48]
A través de esta investigación, se ha comprendido que el desarrollo de un método para controlar los campos electromagnéticos se puede aplicar para evadir la detección mediante sondeo radiado, 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 los 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, la historia fue reportada por Associated Press . [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 the Quest for Invisibility , Christian Science Monitor con Disappear Into Thin Air? Scientists Take Step Toward Invisibility , Australian Broadcasting, Reuters con Invisibility Cloak a Step Closer y el (Raleigh) News & Observer con ' Invisibility Cloak a Step Closer . [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 noviembre de 2009, "la investigación para el diseño y la construcción de 'metamateriales' únicos recibió un aumento de financiación de 4,9 millones de libras esterlinas. Los metamateriales pueden utilizarse para dispositivos de 'ocultamiento' de invisibilidad, sensores de seguridad sensibles que pueden detectar cantidades minúsculas de sustancias peligrosas y lentes planas que pueden utilizarse para obtener imágenes de 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 camuflaje flexible al que llamaron "Metaflex", que puede 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 una capa de invisibilidad es en principio posible, al menos en una banda de frecuencia estrecha. Describimos aquí la primera realización práctica de una capa de este tipo; en nuestra demostración, un cilindro de cobre se "ocultó" dentro de una capa construida de acuerdo con la prescripción teórica anterior. La capa se construyó con el uso de 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 las ondas electromagnéticas y 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 "