El secreto de la invisibilidad: Los metamateriales

La invisibilidad es una capacidad que se ha tratado repetidas veces en numerosas obras de ciencia ficción y fantasía. Algunos lo han obtenido mediante millones de microcamaras y micropantallas adosadas a la superficie del objeto a ocultar, otros con capas mágicas y algunos con un anillo, pero nunca se ha conseguido en el mundo real. Pero, ¿es físicamente posible?

Para entender como se podría obtener, es necesario explicar algunos conceptos previos sobre la refracción. Este fenómeno óptico consiste en la desviación de la luz (y en general, cualquier radiación electromagnética) al cambiar de medio por el que se propaga. Está regido por la ley de Snell:

Ley de Snell

Esta ecuación indica que el ángulo con el que penetra un rayo de luz a otro medio (incidencia), está relacionado con el ángulo con el que sale (refracción) por medio de los índices de refracción de los 2 medios (las n de la ecuación). Gráficamente, se puede ver en la figura de la izquierda, como el rayo en un medio A, llega a la entrefase con un medio B con un ángulo i, y sale con un ángulo r distinto.

Refracción de un rayo de luz
Esquema de la refracción de la luz al pasar de un medio A a uno B

Esto explica muchas curiosidades cotidianas, como la pajita en un vaso de agua, que parece que se ha torcido. Esto genera otros ejemplos interesantes: si colocamos un objeto en el medio A y un observador en el medio B. La luz reflejada en el objeto, avanzará hasta el medio B, se desviará debido a la refracción y el observador lo verá en otra posición, la que resulta de prolongar el rayo refractado (línea discontinua). Éste es el típico ejemplo del pescador que ve un pez en un punto del agua  desde su barca, pero realmente no está ahí, sino a mayor profundidad.

Imagen virtual refractada
La refracción causa que el observador vea una imagen virtual del objeto real en otra posición
Esquema de una refracción negativa
Esquema de la refracción si B tuviera un n negativo

Esto siempre ocurre de esta forma, porque el índice de refracción de todos los medios presentes en la naturaleza son positivos. Pero, ¿qué ocurriría si el medio B tuviera uno negativo? El ángulo de refracción sería negativo y la refracción producida sería la de la figura de la derecha. Esto, a simple vista, podría parecer un cambio sin importancia, pero lo cambia todo. Supongamos el caso anterior del objeto y el observador, colocando a ambos en la misma posición, esta vez, la luz reflejada del objeto, se desvía en dirección contraria, y el observador no llega a recibirla nunca, en su lugar, recibe la luz de otra zona del medio (círculo verde), una zona vacía, y por tanto, no ve el objeto, haciendolo invisible al observador, como se puede apreciar en la fígura de abajo.

Invisibilidad por refraccion negativa
El observador no ve la luz reflejada en el objeto, por lo que es invisible para él

Los más avispados se habrán dado cuenta del problema que presenta la disposición de la figura anterior: si el observador mira hacia la derecha, en algún momento acabaría viendo el objeto. Una de las soluciones más obvia es modificar la geometría de la entrefase, por ejemplo, encapsular el objeto para modificar los ángulos de incidencia de la luz que refleja el objeto. Una esfera con el objeto en su centro no valdría, pues todos los rayos que salieran de la esfera, lo harían con ángulo i nulo (las lineas que parten del centro de la esfera son perpendiculares al plano tangente en el punto que cortan a la superficie de la misma) y el objeto sería visible desde cualquier ángulo. Una solución más acertada sería, por ejemplo, un encapsulado en forma de elipsoide, como el de la figura inferior (vista en planta), aunque seguiría presentando algunas direcciones en las que se vería el objeto: las correspondientes a los ejes.

Esquema de un encapsulado elíptico
Para la mayoría de las direcciones, el objeto en A es invisible para el observador en B

Pero hemos dicho, que esto es imposible, porque todos los medios de la naturaleza presentan índices de refracción positivos. Es aquí donde entran los metamateriales: unos materiales compuestos con una inusual propiedad: permeabilidad magnética negativa, que da lugar a un índice de refracción negativo y a su vez a propiedades increíbles como la inversión del efecto Doppler. Pero generar invisibilidad no es lo único que se puede sacar de estos materiales, pues permitiría la creación de lentes planas con resoluciones altísimas, filtros de microondas y numerosas aplicaciones en el campo de la electrónica y las telecomunicaciones.

Varias univeridades del mundo (MIT, Caltech, UPM, Imperial College…) han realizado o están realizando estudios sobre estos particulares materiales, e incluso se han obtenido algunos cristales funcionales, pero los ensayos a gran escala son muy complejos y caros y han quedado reservados al ámbito militar, en el que se está poniendo especial atención al desarrollo y posibles aplicaciones de los mismos, quedando gran cantidad de información y datos restringidos, sin posibilidad de apertura al ámbito civil, y no es para menos, pues la invisibilidad nos sigue sonando a magia.

Fuentes:Los metamateriales y sus aplicaciones en defensa”, del Sistema de Observación y Prospectiva Tecnológica de la Subdirección de Tecnología e Innovación de la Dirección General de Armamento y Material de España y “Metamateriales con índice de refracción negativo: una nueva frontera en Electromagnetismo”, de la Universidad de La Rioja

Israel Morillas
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Israel Morillas

Dirección y administración web en Empíricamente Cierto
Estudiante de Ingeniería Aeroespacial. Esclavo de la curiosidad desde enano, las mejores amigas que encontré para ella: la ciencia y la tecnología. La Aerodinámica, mi vocación, el Rock, mi pasión. "Dame una cerveza, y yo te explicaré la Mecánica de Fluidos".
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