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 material óptico novedoso. 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 la ubicación definida todavía están presentes, pero las ondas incidentes se guían a su alrededor sin verse afectados por el objeto en sí.[1] [2] [3] [4] [5]
Metamateriales electromagnéticos
Los metamateriales electromagnéticos responden a partes elegidas 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 con más detalle como materiales compuestos estructurados artificialmente , que muestran 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 adapten a una necesidad específica. Esa necesidad estará determinada por la aplicación en particular. [2] [6] [7]
La estructura artificial para las aplicaciones de camuflaje 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 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 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 la base para construir dispositivos de camuflaje muy pequeños en previsión de dispositivos más grandes, adaptables a un amplio espectro de luz irradiada. [2] [6] [8]
Por lo tanto, aunque la luz consiste en un campo eléctrico y un campo magnético , los materiales ópticos ordinarios, como las lentes de microscopio óptico , tienen una fuerte reacción solo al campo eléctrico. La correspondiente interacción magnética 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 irradiada 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 eléctricos de la luz radiada pueden controlarse a voluntad, de cualquier forma 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 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 está todavía en su infancia optimista. [2] [6] [8]
Metamateriales y óptica de transformación
El campo de la óptica de transformación se fundamenta en los efectos que producen los metamateriales. [1]
La óptica de la transformación tiene sus inicios en las conclusiones de dos esfuerzos de investigación. 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 doblar o distorsionar la luz para ocultar electromagnéticamente un objeto. Ambos artículos mapean notablemente la configuración inicial de los campos electromagnéticos en una malla cartesiana . Torcer la malla cartesiana, en esencia, transforma las coordenadas de los campos electromagnéticos, que a su vez ocultan un objeto dado. De ahí que con estos dos trabajos nazca la óptica de transformación. [2] [9] [10]
La óptica de transformación se suscribe a la capacidad de doblar luz u ondas electromagnéticas y energía , de cualquier forma 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. Entonces, la óptica de transformación se desarrolló a partir de la capacidad de elegir los parámetros para un material dado. Por 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 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 convencionalmente predeterminado de los materiales ordinarios se convierte en cambio 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]
Ciencia de los dispositivos de camuflaje
El propósito de un dispositivo de camuflaje es ocultar algo, de modo que una región definida del espacio se aísle de manera invisible de los campos electromagnéticos (u ondas sonoras ) que pasan , como con el camuflaje de metamateriales . [5] [13]
Enmascarar objetos, o hacerlos parecer invisibles con metamateriales , es más o menos análogo al juego de manos de un mago o sus trucos con los espejos. El objeto o sujeto no desaparece realmente; la desaparición es una ilusión. Con el mismo objetivo, los investigadores emplean metamateriales para crear puntos ciegos dirigidos al desviar ciertas partes del espectro de luz (espectro electromagnético). Es el espectro de luz, como medio de transmisión , el que determina lo que puede ver el ojo humano. [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 amplio espectro, que se extiende más allá del sentido de la vista. Por ejemplo, hay otras partes del espectro de luz que son de uso común en la actualidad. El espectro de microondas es utilizado por radar , teléfonos móviles 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 solo 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 luz se conoce como espectro electromagnético . [14] [15] [16] [17]
Las propiedades de la óptica y la luz.
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 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 los avances en materiales y tecnologías nunca antes realizados en las ciencias físicas naturales . Estos materiales únicos se hicieron notables porque la radiación electromagnética puede doblarse, reflejarse o sesgarse de nuevas formas. 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 otras radiaciones. Además, los poderes ópticos expandidos presentados en la ciencia del encubrimiento de objetos parecen ser tecnológicamente beneficiosos en un amplio espectro de dispositivos que ya están en uso. Esto significa que todos los dispositivos con funciones básicas que dependen de la interacción con el espectro electromagnético radiado podrían avanzar tecnológicamente. Con estos pasos iniciales se ha establecido una clase completamente nueva de óptica. [15] [18] [19] [20] [21]
Interés por las propiedades de la óptica y la luz.
El interés por las propiedades de la óptica y la luz se remonta a casi 2000 años en Ptolomeo ( 85-165 dC). En su trabajo titulado Óptica , escribe sobre las propiedades de la luz , incluida la reflexión , la refracción y el color . Desarrolló una ecuación simplificada de refracción sin funciones trigonométricas . Aproximadamente 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), que es 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 la óptica en particular. Anticipó las leyes universales de la luz articuladas por los científicos del siglo XVII por cientos de años. [15] [22] [23] [24]
En el siglo XVII se atribuyó tanto a Willebrord Snellius como a Descartes el descubrimiento de la ley de refracción. Fue Snellius quien notó que la ecuación de Ptolomeo para la refracción era inexacta. En consecuencia, estas leyes se han aprobado, sin cambios durante unos 400 años, como las leyes de la gravedad. [15] [22] [23] [24]
Manto y teoría perfectos
La radiación electromagnética y la materia tienen una relación simbiótica. La radiación no actúa simplemente sobre un material, ni sobre ella actúa simplemente 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 de guía para la capa de metamaterial 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 reflejos , haciendo que el objeto sea 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]
Desafíos presentados por el primer dispositivo de camuflaje
El principio de camuflaje, con un dispositivo de camuflaje, 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 camuflaje. 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 cilindro en el interior con solo una distorsión menor, haciendo que pareciera casi como si no hubiera nada allí.
Un dispositivo de este tipo normalmente implica rodear el objeto que se va a cubrir con un caparazón que afecta el paso de la luz cerca de él. Hubo una reducción de 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 se publicó en la revista Science . [3] [18] [29] [30]
Aunque es una demostración exitosa, se pueden mostrar tres limitaciones notables. Primero, dado que su efectividad fue solo en el espectro de microondas, el objeto pequeño es algo invisible solo en las frecuencias de microondas. Esto significa que no se ha 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 más avanzadas relacionadas con la nanotecnología debido a las longitudes de onda cortas de la luz. En segundo lugar, solo los objetos pequeños pueden aparecer como el aire circundante. En el caso de la demostración de la 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 solo puede ocurrir en una banda de frecuencia estrecha, para cualquier demostración dada. Esto significa que una capa de banda ancha, que funciona en todo el espectro electromagnético , desde las frecuencias de radio hasta las 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 son accesibles mediante el uso de elementos resonantes , que son inherentemente de banda estrecha y dispersivos en resonancia. [1] [3] [4] [18] [29]
Uso de metamateriales
Al comienzo del nuevo milenio, los metamateriales se establecieron como un nuevo medio extraordinario, que expandió las capacidades de control sobre la materia . Por lo tanto, los metamateriales se aplican a las aplicaciones de encubrimiento por algunas razones. Primero, el parámetro conocido como respuesta del material tiene un rango más amplio. En segundo lugar, la respuesta material se puede controlar a voluntad. [15]
En tercer lugar, los componentes ópticos, como las lentes, responden dentro de un cierto rango definido a la luz . Como se dijo anteriormente, el rango de respuesta se ha conocido y estudiado, desde Ptolomeo , hace mil ochocientos años. El rango de respuesta no se pudo exceder de manera efectiva, 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. Cada material natural hasta ahora solo permite un índice de refracción positivo. Los metamateriales, por otro lado, son una innovación que pueden lograr un índice de refracción negativo, un índice de refracción cero y valores fraccionarios entre cero y uno. Por tanto, los metamateriales amplían la respuesta material, entre otras capacidades. Sin embargo, la refracción negativa no es el efecto que crea un 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 entregar las respuestas elegidas a voluntad. [15]
Dispositivo
Antes de construir realmente 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 distinguido como uno de los primeros trabajos teóricos publicados sobre un manto de invisibilidad.
Controlar los campos electromagnéticos
La explotación de la "luz", el espectro electromagnético , se realiza con objetos y materiales comunes que controlan y dirigen los campos electromagnéticos . Por ejemplo, se usa una lente de vidrio en una cámara para producir una imagen, se puede usar una jaula de metal para filtrar equipos sensibles y las antenas de radio están diseñadas para transmitir y recibir transmisiones FM diarias. 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 estos amplían el control de partes del espectro electromagnético ; de microondas , a terahercios , a infrarrojos . En teoría, los metamateriales, como medio de transmisión , eventualmente expandirán el control y la dirección de los campos electromagnéticos en el espectro visible . Por lo tanto, en 2006 se introdujo una estrategia de diseño para mostrar que un metamaterial puede diseñarse con valores positivos o negativos asignados arbitrariamente de permitividad y permeabilidad , 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 novedosos e inusuales, así como un componente de la teoría científica para el encubrimiento de objetos de 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, usando la inclusión de pequeñas inhomogeneidades para promulgar 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. Las inclusiones se pueden diseñar y luego colocar en lugares deseados para variar la función de un material dado. Como la celosía es constante, las células son más pequeñas que la luz irradiada. [6] [31] [32] [33]
La estrategia de diseño tiene en su núcleo metamateriales compuestos no homogéneos que dirigen, a voluntad, cantidades conservadas de electromagnetismo . Estas cantidades son específicamente, la densidad de flujo eléctrico D , la intensidad del campo magnético B , y el vector de Poynting S . Teóricamente, cuando se trata de cantidades o campos conservados, el metamaterial exhibe una capacidad doble. Primero, los campos se pueden concentrar en una dirección determinada. En segundo lugar, se pueden hacer para evitar o rodear objetos, volviendo sin perturbaciones a su camino original. Estos resultados son consistentes con las ecuaciones de Maxwell y son más que una aproximación de rayos que se encuentra en la 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 intencionada 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 incrustadas 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, lo que evita 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. Como el medio elástico se distorsiona en una o una combinación de las posibilidades descritas, la malla cartesiana registra el mismo proceso de estiramiento y estiramiento. Ahora se puede registrar el mismo conjunto de contorsiones, ocurriendo como transformación de coordenadas :
- a (x, y, z), b (x, y, z), c (x, y, z), d (x, y, z) ....
Por lo tanto, la permitividad, ε, y la permeabilidad, µ, se calibran proporcionalmente por un factor común. Esto implica que, con menor precisión, 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 ver ref. #. [2]
Aplicación a dispositivos de camuflaje
Dados los parámetros de funcionamiento anteriores, ahora se puede demostrar que el sistema, un metamaterial, puede 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 ingresar al espacio. Como lo ilustra la función del metamaterial, cualquier radiación que intente penetrar se dirige 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 con 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 encubrimiento debe estar contenida dentro del anillo R 1
Obstáculos de encubrimiento
Hay cuestiones que deben abordarse para lograr el camuflaje 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 de rayos paralelos ( ver imagen de arriba ), que se dirigen directamente al centro, se curvan abruptamente y, junto con los rayos vecinos, se fuerzan a formar arcos cada vez más estrechos . Esto se debe a los rápidos cambios en la permitividad ε ′ y la permeabilidad µ ′ ahora cambiantes y en transformación . El segundo problema 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 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 amplio espectro de frecuencias . 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 alrededor del otro lado de la esfera en fase con la luz radiada inicial . Si esto sucede, 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 para una sola frecuencia . [2]
Mapeo óptico conforme y trazado de rayos en medios de transformación
El objetivo entonces es crear una diferencia no discernible entre un volumen de espacio oculto y la propagación de ondas electromagnéticas a través del espacio vacío. Parecería que lograr un agujero perfectamente oculto (100%), donde un objeto podría colocarse y ocultarse 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 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 indicó 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 ondas 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 sigilosa , la adaptación de impedancia podría resultar en la absorción de ondas electromagnéticas emitidas en lugar de en 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 de sonido. 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 a lo largo de líneas rectas. El medio realiza un mapeo óptico conforme al espacio vacío. [9]
Frecuencias de microondas
El siguiente paso, entonces, es ocultar realmente un objeto controlando los campos electromagnéticos. Ahora, la capacidad demostrada y teórica de los campos electromagnéticos controlados 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 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 a la radiación incidente, incluido el sondeo irradiado. [3] [35] [36]
Esta demostración, por primera vez, de ocultar realmente un objeto con campos electromagnéticos, utiliza el método de variación espacial deliberadamente diseñada. Este es un efecto de incrustar fuentes electromagnéticas diseñadas a propósito en el metamaterial. [37]
Como se discutió anteriormente, los campos producidos por el metamaterial se comprimen en una capa (transformaciones de coordenadas) que rodean el volumen ahora oculto. Anteriormente, esta teoría fue apoyada; este experimento demostró que el efecto ocurre 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 variantes espacialmente y dependientes direccionalmente a lo largo de diferentes ejes. Los investigadores afirman :
Al implementar estas complejas propiedades de los materiales, el volumen oculto más el manto parecen tener las propiedades del espacio libre cuando se ven desde el exterior. Por tanto, el manto no dispersa ondas ni imparte una sombra en cualquiera de las cuales permitiría detectar el manto. Otros enfoques de la invisibilidad se basan en la reducción de la retrodispersión o hacen uso de una resonancia en la que las propiedades del objeto envuelto y el 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 factible la realización física de las propiedades específicas de los materiales complejos. 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, los límites experimentales de los campos de transformación se determinaron computacionalmente, además de las simulaciones, ya que ambos se utilizaron para determinar la efectividad del manto. [3]
Un mes antes de esta demostración, los resultados de un experimento para mapear espacialmente los campos electromagnéticos internos y externos de metamaterial refractivo negativo se publicaron en septiembre de 2006. [37] Esto fue innovador porque antes de esto los campos de microondas se medían solo externamente. [37] En este experimento de septiembre se midió la permitividad y permeabilidad de las microestructuras (en lugar de la macroestructura externa) de las muestras de metamateriales, así como la dispersión de los metamateriales de índice negativo bidimensional. [37] Esto dio un índice de refracción efectivo promedio, que da como resultado suponer un metamaterial homogéneo. [37]
Empleando esta técnica para este experimento, se realizó un mapeo espacial de 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 fue un cilindro conductor en el radio interior de la capa. Como el objeto más grande posible diseñado para este volumen de espacio, tiene las propiedades de dispersión más sustanciales. El cilindro conductor estaba efectivamente oculto en dos dimensiones. [3]
Frecuencias infrarrojas
La definición de frecuencia óptica, en la literatura sobre metamateriales, varía 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, estas son casi siempre 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 camuflaje se centró en 1500 nm o 1,5 micrómetros, el infrarrojo. [38] [39]
Frecuencias sónicas
Un dispositivo metamaterial laboratorio, aplicable a de ultrasonido ondas se demostró en enero de 2011. Se puede aplicar a las longitudes de onda de sonido correspondientes a las frecuencias de 40 a 80 kHz.
La capa acústica de metamaterial está diseñada para ocultar objetos sumergidos en agua. El mecanismo de camuflaje de metamaterial dobla y retuerce las ondas de sonido 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 por el anillo exterior, guiadas por los canales de los circuitos, que doblan las ondas para envolverlas alrededor de las capas exteriores del manto". Forma una serie de cavidades que ralentizan la velocidad de la propagación de las ondas sonoras. Se sumergió un cilindro experimental y luego desapareció del sonar . Otros objetos de diversa forma y densidad también fueron ocultos del 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 orificios proporcionan el efecto. [44]
Invisibilidad en medios difusores de dispersión de luz
En 2014, los científicos demostraron un buen rendimiento de camuflaje en agua turbia, lo que demuestra que un objeto envuelto en niebla puede desaparecer por completo cuando se cubre 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 metatmaterial. Cuando la luz se difunde, una fina capa de metamaterial alrededor de un objeto puede hacer que sea esencialmente invisible bajo una variedad de condiciones de iluminación. [45] [46]
Intentos de encubrimiento
Capa de plano de tierra de banda ancha
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 la óptica de transformación, entonces un objeto puede ocultarse debajo la perturbación. [47] Esto a veces se denomina manto 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 requeridas del material. A diferencia de la capa original (expansión singular), la capa "alfombra" requería valores materiales menos extremos. La capa de alfombra cuasi-conforme requería 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, 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 de tierra transforma un plano, y la transformación en la capa de alfombra fue cuasi-conforme, en lugar de no conforme.
Otras teorías del encubrimiento
Otras teorías del encubrimiento discuten varias 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 de túnel, sensores y fuentes activas, y encubrimiento acústico .
Investigación institucional
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, entre ellas: [ cita requerida ]
- Instituto de Tecnología de California
- Instituto de Tecnología de Massachusetts
- Universidad Estatal de Colorado
- Universidad de Duke
- Universidad Harvard
- Universidad Aalto
- Colegio Imperial de Londres
- Sociedad Max Planck
- Facultad de Física de la MSU
- Instituto Nacional de Estándares y Tecnología
- Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek
- University College de Londres
- Universidad de California, Berkeley
- Universidad de California, Irvine
- Universidad de California, Los Angeles
- Universidad de California, San Diego
- Universidad de Colorado
- Universidad de Delaware
- Universidad de Rochester
Los siguientes organismos estadounidenses proporcionan fondos para la investigación de esta tecnología : [48]
- Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea
- Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa
- Director de Inteligencia Central
- Agencia Nacional de Inteligencia Geoespacial
- Comando de Sistemas Aéreos Navales
- Oficina de Investigaciones Navales
A través de esta investigación, se ha descubierto que el desarrollo de un método para controlar los 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 desde campos electromagnéticos . [9]
En las noticias
El 20 de octubre de 2006, un día después de que la Universidad de Duke lograra envolver y "desaparecer" un objeto en el rango de microondas, Associated Press informó 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 , Christian Science Monitor con ¿ Desaparece en el aire? Los científicos dan un paso hacia la invisibilidad , Australian Broadcasting, Reuters con Invisibility Cloak un paso más cerca , y (Raleigh) News & Observer con ' Invisibility Cloak 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 2006 de Scientific American. [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 usar para dispositivos de 'encubrimiento' de invisibilidad, sensores de seguridad sensibles que pueden detectar pequeñas cantidades de sustancias peligrosas, y lentes planas que se pueden usar 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 que llaman "Metaflex", que puede acercar significativamente las aplicaciones industriales. [52]
En 2014, los ingenieros de Duke construyeron el primer dispositivo acústico 3D del mundo. [53]
Ver también
- Historia de los metamateriales
- Metamateriales acústicos
- Quiralidad
- Metamaterial
- Absorbente de metamaterial
- Antenas de metamaterial
- Metamateriales no lineales
- Cristal fotónico
- Metamateriales fotónicos
- Metamateriales plasmónicos
- Metamateriales sísmicos
- Resonador de anillo partido
- Superlentes
- Metamateriales de terahercios
- Teorías del encubrimiento
- Óptica de transformación
- Metamateriales ajustables
- Publicaciones académicas
- Metamateriales (revista)
- Libros de metamateriales
- Manual de metamateriales
- Metamateriales: Exploraciones de física e ingeniería
Referencias
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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 "escondido" 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 al espacio vacío.
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Respaldada por la llegada de los metamateriales, la óptica de transformación ofrece una gran versatilidad para controlar las ondas electromagnéticas para crear materiales con propiedades especialmente diseñadas. Aquí repasamos 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.
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Otras lecturas
- Kundtz, Nathan; David R. Smith (asesor) (18 de diciembre de 2009). "Avances en medios electromagnéticos complejos" . Disertaciones de Duke : 185. Bibcode : 2009PhDT ....... 185K . Consultado el 23 de febrero de 2011 .148 páginas. " Tesis presentada en cumplimiento parcial de los requisitos para el grado de Doctor en Filosofía en el Departamento de Física de la Graduate School of Duke University 2009 "
enlaces externos
- Definición de metamateriales
- Manipulación del campo cercano con metamateriales Presentación de diapositivas, con audio disponible, por el Dr. John Pendry, Imperial College, Londres
- Los investigadores proponen imitar el cosmos con metamateriales