Metamaterial

Els metamaterials (del grec meta, més enllà) són “estructures dissenyades expressament a una escala menor que la longitud d'ona de la llum per tal de controlar-ne la propagació i assolir propietats físiques impossibles d'aconseguir de qualsevol altra forma”^[1] (per exemple, magnetisme a altes freqüències). Tot i que es tracta d'un terme completament nou i que ha estat definit de maneres molt diverses, hi ha dues característiques que tots els investigadors tenen presents a l'hora de fer-ho:

• Els metamaterials són materials dissenyats pels humans, per tal que la seva resposta a les ones electromagnètiques sigui la desitjada
• Les propietats dels metamaterials no es poden trobar a la naturalesa. És a dir, tot i estar formats habitualment per metalls o elements dielèctrics, no actuen com cap d'ells.

Habitualment aquestes noves propietats es deuen a la realització d'alteracions en l'estructura, normalment periòdiques, i no a canvis en la seva composició. Així doncs, estan constituïts per petites inhomogeneïtats que o bé formen per si soles el metamaterial o que es col·loquen dins seu, com és el cas dels cristalls fotònics. Tot plegat, es fa amb la intenció d'obtenir alteracions que es puguin observar a escala macroscòpica.

Així, a diferència de com ho fan amb la resta de materials, el comportament de les ones electromagnètiques en ells no es deu a la seva estructura atòmica, sinó que ho fa tota l'estructura. Fent servir materials com l'or (entre d'altres) col·locats de certes maneres i amb certes formes, els investigadors han aconseguit poder ser capaços de decidir quin recorregut adoptarà la llum a través del material: les ones electromagnètiques deixen de respondre als àtoms per fer-ho a l'estructura dissenyada per l'investigador. A més a més, cal senyalar que, tot i no ser en realitat homogeni, la llum actua com si ho fos perquè, tal com ja s'ha indicat, les desigualtats són a una escala més petita que no pas la longitud d'ona de les ones electromagnètiques corresponents. Quant als seus usos, recentment els objectius dels científics s'han centrat en el fet que, si es dissenyen correctament, els metamaterials poden ser capaços d'aconseguir índexs de refracció negatius. Qualsevol material que podem trobar a la naturalesa tindrà tant una permitivitat com una permeabilitat positives (o, com a mínim, una de les dues) i, per tant, en actuar-hi a sobre una ona electromagnètica, aquesta es propagarà sense quasi cap pèrdua. En canvi, quan en un material ambdues presenten un signe diferent, es pot observar que o bé el camp magnètic o l'elèctric queden diluïts, ja que l'índex de refracció es pot obtenir resultat del producte n=±√με i, si un dels dos valors és negatiu, n∈R ∄ (és a dir, n no pertany al conjunt de nombres reals i, per tant, a la pràctica no “existeix”). Si tant la permitivitat com la permeabilitat fossin negatives, fet que tan sols es pot aconseguir fent ús de metamaterials es podria arribar a observar que, a diferència del que acostuma a ocórrer, la direcció de propagació de l'ona electromagnètica seria diferent de la direcció que du l'energia i això implicaria, entre d'altres, la possibilitat de crear un medi amb un índex de refracció negatiu.