Diseñan nuevo metamaterial; sus propiedades son ‘»contranatura'»

Un equipo de investigadores del Instituto de Estructura de la Materia (CSIC) propone un nuevo metamaterial artificial con propiedades ópticas exóticas ‘contra natura’. En concreto con un índice de refracción negativo, según publican en la revistaScientific Reports, del grupo Nature.

La propuesta se basa en nanoestructuras metal-semiconductor. Esta configuración puede allanar el camino para la fabricación de nuevos metamateriales electromagnéticos sin pérdidas, a los cuales se les suponen fascinantes aplicaciones ópticas como superlentes para obtención de imágenes con nanoresolución y para nanolitografía, invisibilidad de objetos o nanodispositivos ópticos como antenas, resonadores y láseres.

En general, los metamateriales electromagnéticos están construidos a base de estructuras muy pequeñas que presentan propiedades ópticas distintas de sus constituyentes, y son de especial interés aquellas que no se observan en la naturaleza.

Entre otras propiedades ópticas exóticas, ha despertado un enorme interés conseguir los índices de refracción negativos. Por ejemplo, pensando en la refracción en el agua, la luz se desviaría en dirección opuesta, como si rebotara al cruzar la superficie.

Hasta la fecha estos metamateriales con índice negativo –NIMs, del ingles negative index metamaterial–,se han conseguido en regímenes del espectro electromagnético de baja frecuencia –microondas–, a base de diseños específicos –resonadores con forma de anillos metálicos incompletos– para conseguir la respuesta magnética negativa, inexistente en la naturaleza, a diferencia de la respuesta eléctrica negativa, que la proporcionan los materiales metálicos.

El diseño de NIMs isótropos y sin pérdidas en el dominio óptico es un reto formidable, desde perspectivas teóricas y experimentales, siendo el problema fundamental precisamente el de la respuesta magnética artificial. Hasta ahora, los intentos de hacer frente a este problema han sido esencialmente miniaturizaciones simples de los diseños canónicos empleados en microondas, o  estructuras plasmónicas acopladas.

Sin embargo, presentan limitaciones fundamentales tales como anisotropía –presentar diferentes características según la dirección en qué se examinan–, elevadas pérdidas y baja dimensionalidad, por no mencionar la creciente complejidad en su fabricación.

Nanoesferas en 3D y nanohilos en 2D

Ahora, los científicos del CSIC han propuesto un esquema simple basado en las nanopartículas sencillas –nanoesferas en 3D y nanohilos en 2D– con un núcleo de metal recubierto de una capa semiconductora de alta permitividad dieléctrica. Son responsables respectivamente de las respuestas eléctricas y magnéticas y, por tanto, intrínsecamente isótropo.

Además, dado que el mecanismo físico se basa en la respuesta de las nanopartículas individuales no acoplados, no es necesario ningún ordenamiento específico. En particular, han demostrado que  núcleos de oro o plata con recubrimientos de silicio o germanio presentan un comportamiento como NIM isótropos a frecuencias infrarrojas.

Especialmente importante es el caso de los nanohilos por sus mínimas pérdidas, lo que permite diseñar estructuras ópticamente macroscópicas con tales propiedades.

Hasta ahora los modelos teóricos y simulaciones numéricas predecían que los nanocilindros de plata recubiertos de silicio podía exhibir índices de refracción negativos en el infrarrojo cercano –longitud de onda de las telecomunicaciones–, con pérdidas al menos 10 veces menores que las del mejor diseño predicho hasta la fecha. El nuevo estudio parece confirmarlo.