Archivo de la categoría: Magnetismo

La Ciencia de la Invisibilidad

Todos, absolutamente todos hemos estado en algún momento de nuestra existencia en situaciones absolutamente bochornosas, es completamente inevitable. Muchos nos hemos tropezado para luego caer estrepitosamente, chocar el auto de nuestros padres, olvidarte del aniversario de tu pareja, llamar “mama”  a alguna de tus profesoras (algo traumatico), en fin, un montón de situaciones que nadie quisiera experimentar.

Es probable que dentro de unos años te olvides de lo que hiciste un verano, del cumpleaños de tu hijo o hasta del nombre de tu marido, pero lo que nunca olvidarás son esos momentos embarazosos en los que te hubiera gustado que te tragara la tierra, o por lo menos ser invisible, que nadie te viera y así por lo menos no ser victima de las miradas asesinas de los agraviados y quizás una muerte próxima.

Aunque ser invisible no solamente serviría para escapar de alguna situación “difícil”. También, es el sueño de muchos ladrones, científicos locos, supervillanos y un montón mas de desequilibrados mentales.

Aunque seria una gran tentación para cualquier humano el poseer esa capacidad, podría hacer lo quisiera sin que nadie pudiera verlo… Algo que quebrantaría la moralidad de cualquier persona… Pero desde el punto de vista científico, ¿Es posible?

¿Realmente es posible hacernos invisibles o hacer invisible algún objeto?… ¿Existe mas de un método para conseguirlo?… ¿Que utilidades puede traernos la invisibilidad ademas de el uso militar?

Por ejemplo, en la famosa serie Star Trek IV: El viaje a casa, la tripulación del Enterprise se apropia de un crucero de batalla Klingon. A diferencia de las naves espaciales de la Flota Estelar de la Federación, las naves espaciales del imperio Klingon tienen un «dispositivo de ocultación» secreto que las hace invisibles a la luz o el radar, de modo que las naves de Klingon pueden deslizarse sin ser detectadas tras las naves espaciales de la Federación y tenderles emboscadas con impunidad. Este dispositivo de ocultación ha dado al imperio Klingon una ventaja  estratégica sobre la Federación de Planetas.

Nave Klingon

Pero, ¿Realmente es posible tal dispositivo? o ¿tan solo es una idea disparatada imposible de realizar? La invisibilidad ha sido siempre una de las maravillas de la ciencia ficción y de lo fantástico, desde las páginas de El hombre invisible al mágico manto de invisibilidad de los libros de Harry Potter, o el anillo en El señor de los anillos (mi preferido).

El Anillo Único – El Señor de los Anillos

Pero durante un siglo al menos, casi todos los físicos han descartado la posibilidad de mantos de invisibilidad o algo que se le parezca, afirmando lisa y  llanamente que son imposibles: violan las leyes de la óptica y no se adecuan a ninguna de las propiedades conocidas de la materia.

Pero hoy lo imposible puede hacerse posible.  Nuevos avances en metamateriales están obligando a una revisión importante de los libros de texto de óptica. Se han construido en el laboratorio prototipos operativos de tales materiales que han despertado un gran interés en los medios de comunicación, la industria y el ejército al hacer que lo visible se haga invisible.

La invisibilidad a través de la historia

La invisibilidad es quizá una de las ideas más viejas en la mitología antigua. Desde el comienzo de la historia escrita, las personas que se han encontrado solas en una noche procelosa se han sentido aterrorizadas por los espíritus invisibles de los muertos, las almas de los que desaparecieron hace tiempo que acechan en la oscuridad.

El héroe griego Perseo pudo acabar con la malvada Medusa armado con el yelmo de la invisibilidad.

Los generales de los ejércitos han soñado con un dispositivo de invisibilidad. Siendo invisible, uno podría atravesar las líneas enemigas y capturar al enemigo por sorpresa. Los criminales podrían utilizar la invisibilidad para llevar a cabo robos espectaculares.

La invisibilidad desempeñaba un papel central en la teoría de Platón de la ética y la moralidad. En su principal obra filosófica, La República, Platón narra el mito del anillo de Giges. El pobre pero honrado pastor Giges de Lidia entra en una cueva oculta y encuentra una tumba que contiene un cadáver que lleva un anillo de oro. Giges descubre que ese anillo de oro tiene el poder mágico de hacerle invisible. Pronto este pobre pastor queda embriagado con el poder que le da este anillo. Después de introducirse subrepticiamente en el palacio del rey, Giges utiliza su poder para seducir a la reina y, con la ayuda de esta, asesinar al rey y convertirse en el próximo rey de Lidia.

La moraleja que deseaba extraer Platón es que ningún hombre puede resistir la tentación de poder robar y matar a voluntad. Todos los hombres son corruptibles. La moralidad es una construcción social impuesta desde fuera. Un hombre puede aparentar ser moral en público para mantener su reputación de integridad y honestidad, pero una vez que posee el poder de la invisibilidad, el uso de dicho poder sería irresistible.

Platón

 (Algunos creen que esta moraleja fue la inspiración para la trilogía de El señor de los anillos de J. R. R. Tolkien, en la que un anillo que garantiza la invisibilidad a quien lo lleva es también una fuente del mal).

La invisibilidad es asimismo un elemento habitual en la ciencia ficción. En la serie Flash Gordon de la década de 1950, Flash se hace invisible para escapar al pelotón de fusilamiento de Ming el Despiadado. En las novelas y las películas de Harry Potter, Harry lleva un manto especial o “mágico” que le permite moverse por el colegio Hogwarts sin ser detectado.

La capa de la invisibilidad de Harry Potter

H.G. Wells dio forma concreta a esta mitología con su clásica novela El hombre invisible, en la que un estudiante de medicina descubre accidentalmente el poder de la cuarta dimensión y se hace invisible. Por desgracia, él utiliza este fantástico poder para su beneficio privado, empieza una oleada de crímenes menores, y al final muere tratando de huir desesperadamente de la policía.

El hombre invisible

Las ecuaciones de Maxwell y el secreto de la luz

Solo con la obra del físico escocés James Clerk Maxwell, uno de los gigantes de la física del siglo XIX, los físicos tuvieron una comprensión firme de las leyes de la óptica. Maxwell era, en cierto sentido, lo contrario de Michael Faraday.

Mientras que Faraday tenía un soberbio instinto experimental pero ninguna educación formal, Maxwell era un maestro de las matemáticas avanzadas. Destacó como estudiante de física matemática en  Cambridge, donde Isaac Newton había trabajado dos siglos antes. Newton había inventado el cálculo infinitesimal, que se expresaba en el lenguaje de las «ecuaciones diferenciales», que describen cómo los objetos experimentan cambios infinitesimales en el espacio y el tiempo.

James Clerk Maxwell

El movimiento de las ondas oceánicas, los fluidos, los gases y las balas de cañón podían expresarse en el lenguaje de las ecuaciones diferenciales. Maxwell tenía un objetivo claro: expresar los revolucionarios hallazgos de Faraday y sus campos de fuerza mediante ecuaciones diferenciales precisas.

Maxwell partió del descubrimiento de Faraday de que los campos eléctricos podían convertirse en campos magnéticos, y viceversa. Asumió las representaciones de Faraday de los campos de fuerza y las reescribió en el lenguaje preciso de las ecuaciones diferenciales, lo que dio lugar a uno de los más importantes conjuntos de ecuaciones de la ciencia moderna. constituyen un conjunto de ocho ecuaciones diferenciales de aspecto imponente. Cualquier físico e ingeniero del mundo tiene que jurar sobre ellas cuando llega a dominar el electromagnetismo en la facultad. 

A continuación, Maxwell se hizo la pregunta decisiva: si los campos magnéticos pueden convertirse en campos eléctricos y viceversa, ¿qué sucede si se están convirtiendo continuamente unos en otros en una pauta inacabable? Maxwell encontró que estos campos electromagnéticos crearían una onda muy parecida a las olas en el mar. Calculó la velocidad de dichas ondas y, para su asombro, ¡descubrió que era igual a la velocidad de la luz! En 1864, tras descubrir este hecho, escribió proféticamente: «Esta velocidad es tan próxima a la de la luz que parece que tenemos una buena razón para concluir que la propia luz… es una perturbación electromagnética». 

Fue quizá uno de los mayores descubrimientos de la historia humana. El secreto de la luz se revelaba por fin. Evidentemente, Maxwell se dio cuenta de que todas las cosas, el brillo del amanecer, el resplandor de la puesta de Sol, los extraordinarios colores del arco iris y el firmamento estrellado podían describirse mediante las ondas que garabateaba en una hoja de papel.

Hoy entendemos que todo el espectro electromagnético —desde el radar a la televisión, la luz infrarroja, la luz ultravioleta, los rayos X, las microondas y los rayos gamma— no es otra cosa que ondas de Maxwell, que a su vez son vibraciones de los campos de fuerza de Faraday.  Al comentar la importancia de las ecuaciones de Maxwell, Einstein escribió que son «las más profundas y fructíferas que ha experimentado la física desde la época de Newton».

La teoría de la luz de Maxwell y la teoría atómica dan explicaciones sencillas de la óptica y la invisibilidad. En un sólido, los átomos están fuertemente concentrados, mientras que en un líquido o en un gas las moléculas están mucho más espaciadas. La mayoría de los sólidos son opacos porque los rayos de luz no pueden atravesar la densa matriz de átomos en un sólido, que actúa como un muro de ladrillo. Por el contrario, muchos líquidos y gases son transparentes porque la luz pasa con más facilidad entre los grandes espacios entre sus átomos, un espacio que es mayor que la longitud de onda de la luz visible.

Existen excepciones importantes a esta regla. Muchos cristales son, además de sólidos, transparentes. Pero los átomos de un cristal están dispuestos en una estructura reticular precisa, ordenados en filas regulares, con un espaciado regular entre ellos. Así, un haz luminoso puede seguir muchas trayectorias a través de una red cristalina. Por consiguiente, aunque un cristal está tan fuertemente empaquetado como cualquier sólido, la luz puede abrirse camino a través del cristal.

Bajo ciertas condiciones, un objeto sólido puede hacerse transparente si los átomos se disponen al azar. Esto puede hacerse calentando ciertos materiales a alta temperatura y enfriándolos rápidamente. El vidrio, por ejemplo, es un sólido con muchas propiedades de un líquido debido a la disposición aleatoria de sus átomos. Algunos caramelos también pueden hacerse transparentes con este método. Es evidente que la invisibilidad es una propiedad que surge en el nivel atómico, mediante las ecuaciones de Maxwell, y por ello sería extraordinariamente difícil, si no imposible, de reproducir utilizando métodos ordinarios.

Para hacer invisible a Harry Potter habría que licuarlo, hervirlo para crear vapor, cristalizarlo, calentarlo de nuevo y luego enfriarlo, todo lo cual sería muy difícil de conseguir incluso para un mago.

El ejército, incapaz de crear aviones invisibles, ha intentado hacer lo que más se les parece: crear tecnología furtiva, que hace los aviones invisibles al radar. La tecnología furtiva se basa en las ecuaciones de Maxwell para conseguir una serie de trucos. Un caza a reacción furtivo es perfectamente visible al ojo humano, pero su imagen en la pantalla de un radar enemigo solo tiene el tamaño que correspondería a un pájaro grande. (La tecnología furtiva es en realidad una mezcla de trucos. Cambiando los materiales dentro del caza a reacción, reduciendo su contenido de acero y utilizando en su lugar plásticos y resinas, cambiando los ángulos de su fuselaje, re-ordenando sus toberas, y así sucesivamente, es posible hacer que los haces del radar enemigo que inciden en el aparato se dispersen en todas direcciones, de modo que nunca vuelven a la pantalla del radar enemigo.

Caza furtivo moderno F-35 Lightning II

Incluso con tecnología furtiva, un caza a reacción no es del todo invisible; lo que hace es desviar y dispersar tantas ondas de radar como es técnicamente posible).

Metamateriales e invisibilidad

Pero quizá el más prometedor entre los nuevos desarrollos que implican invisibilidad es un nuevo material exótico llamado  «metamaterial», que tal vez un día haga los objetos verdaderamente invisibles. Resulta irónico que la creación de metamateriales se considerara en otro tiempo imposible porque violaban las leyes de la óptica. Pero en 2006, investigadores de la Universidad de Duke en Durham, Carolina del Norte, y del Imperial College de Londres, desafiaron con éxito la sabiduría convencional y utilizaron metamateriales para hacer un objeto invisible a la radiación de microondas. Aunque hay aún muchos obstáculos que superar, ahora tenemos por primera vez en la historia un diseño para hacer invisibles objetos ordinarios. (La Agencia de Investigación de Proyectos Avanzados de Defensa [DARPA] del Pentágono financió esta investigación).

El potencial revolucionario de los metamateriales «cambiará por completo nuestro enfoque de la óptica y casi todos los aspectos de la electrónica. Algunos de estos metamateriales pueden hacer realidad hazañas que habrían parecido milagrosas hace solo unas décadas».

¿Qué son estos metamateriales? Son sustancias que tienen propiedades ópticas que no se encuentran en la naturaleza. Los metamateriales se crean insertando en una sustancia minúsculos implantes que obligan a las ondas electromagnéticas a, curvarse de formas heterodoxas. En la Universidad,de Duke los científicos insertaron en bandas,de cobre minúsculos circuitos eléctricos dispuestos,en círculos planos concéntricos (una forma,que recuerda algo a las resistencias de un horno,eléctrico).

Ejemplo de lo que seria un auto construido con metamateriales.

El resultado fue una mezcla sofisticada,de cerámica, teflón, compuestos de fibra y componentes,metálicos. Estos minúsculos implantes,en el cobre hacen posible curvar y canalizar de,una forma específica la trayectoria de la radiación,de microondas. Pensemos en cómo fluye un río alrededor de una roca. Puesto que el agua rodea fácilmente la roca, la presencia de la roca no se deja sentir aguas abajo. Del mismo modo, los metamateriales pueden alterar y curvar continuamente la trayectoria de las microondas de manera que estas fluyan alrededor de un cilindro, por ejemplo, lo que haría esencialmente invisible a las microondas todo lo que hay dentro del cilindro.

Si el material puede eliminar toda la reflexión y todas las sombras, entonces puede hacer un objeto totalmente invisible para dicha forma de, radiación. Los científicos demostraron satisfactoriamente,este principio con un aparato hecho de diez anillos,de fibra óptica cubiertos con elementos de,cobre. Un anillo de cobre en el interior del aparato,se hacía casi invisible a la radiación de microondas,pues solo arrojaba una sombra, minúscula.

En el corazón de los metamateriales está su capacidad para manipular algo llamado «índice de refracción ». La refracción es la curvatura que experimenta la trayectoria de la luz cuando atraviesa un medio transparente. Si usted mete la mano en el agua, o mira a través de los cristales de sus gafas, advertirá que el agua y el cristal distorsionan y curvan la trayectoria de la luz ordinaria.

Manipulación de la Refracción por parte de un Metamaterial.

La razón de que la luz se curve en el cristal o en el agua es que la luz se frena cuando entra en un medio transparente denso. La velocidad de la luz en el vacío es siempre la misma, pero la luz que viaja a través del agua o del cristal debe atravesar billones de átomos y con ello se frena. (El cociente entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad más lenta de la luz entro de un medio es lo que se llama índice de refracción. Puesto que la luz se frena en el vidrio, el índice de refracción de este es siempre mayor que 1,0).

Por ejemplo, el índice de refracción es 1,0 para el vacío, 1,0003 para el aire, 1,5 para el vidrio y 2,4 para el diamante. Normalmente, cuanto más denso es el medio, mayor es el grado de curvatura, y mayor el índice de refracción. Un efecto familiar del índice de refracción es un espejismo. Si usted viaja en coche un día tórrido y mira hacia delante al horizonte, verá cómo la carretera parece brillar y crea la ilusión de un lago donde se refleja la luz.

Un ejemplo de Espejismo en el Desierto.

En el desierto pueden verse a veces las siluetas de ciudades y montañas distantes en el horizonte. Esto se debe a que el aire caliente que sube del asfalto o del suelo del desierto tiene una densidad menor que el aire normal, y por lo tanto un índice de refracción menor que el del aire más frío que le rodea; por ello, la luz procedente de objetos distantes puede refractarse en el asfalto hacia sus ojos y producirle la ilusión de que está viendo objetos distantes.

Normalmente, el índice de refracción es constante. Un fino haz de luz se curva cuando entra en el vidrio y luego sigue una línea recta. Pero supongamos por un momento que pudiéramos controlar el índice de refracción a voluntad, de modo que pudiera cambiar de forma continua en cada punto del vidrio. A medida que la luz se moviera en este nuevo material, se iría curvando y alabeando en nuevas direcciones, en una trayectoria que serpentearía a través de la sustancia.

Si pudiéramos controlar el índice de refracción dentro de un metamaterial de modo que la luz rodeara a un objeto, entonces el objeto se haría invisible. Para ello, este metamaterial debería tener un índice de refracción negativo, lo que cualquier libro de texto de óptica dice que es imposible.

Concepto de Refracción.

(Los metamateriales fueron teorizados por primera vez en un artículo del físico soviético Víctor Veselago en 1967, y se demostró que tenían propiedades ópticas extrañas, tales como un índice de refracción negativo y efecto Doppler inverso. Los metamateriales son tan extraños y aparentemente absurdos que en otro tiempo se pensó que eran imposibles de construir. Pero en los últimos años se han construido metamateriales en el laboratorio, lo que ha obligado a los físicos reacios a reescribir los libros de texto de óptica).

Aunque un verdadero manto de invisibilidad es posible dentro de las leyes de la física, como reconocerán la mayoría de los físicos, aún quedan formidables obstáculos técnicos antes de que esta tecnología pueda extenderse para trabajar con luz visible y no solo radiación de microondas.

En general, las estructuras internas implantadas dentro del metamaterial deben ser más pequeñas que la longitud de onda de la radiación. Por ejemplo, las microondas pueden tener una longitud de onda de unos 3 centímetros, de modo que para que un metamaterial curve la trayectoria de las microondas debe tener insertados en su interior implantes minúsculos menores que 3 centímetros. Pero para hacer un objeto invisible a la luz verde, con una longitud de onda de 500 nanómetros (nm), el metamaterial debe tener insertadas estructuras que sean solo de unos 50 nanómetros de longitud, y estas son escalas de longitud atómica que requieren nanotecnología.

Escala de los Nanómetros y Micrómetros.

(Un nanómetro es una mil millonésima de metro. Aproximadamente cinco átomos pueden caber en un nanómetro). Este es quizá el problema clave al que se enfrentan nuestros intentos de crear un verdadero manto de invisibilidad. Los átomos individuales dentro de un metamaterial tendrían que ser modificados para curvar un rayo de luz como una serpiente.

Metamateriales para luz visible

La carrera ha empezado. Desde que se anunció que se han fabricado materiales en el laboratorio se ha producido una estampida de actividad en esta área, con nuevas ideas y sorprendentes avances cada pocos meses. El objetivo es claro: utilizar nanotecnología para crear metamateriales que puedan curvar la luz visible, no solo las microondas. Se han propuesto varios enfoques, todos ellos muy prometedores. Uno de ellos es utilizar la tecnología ya disponible, es decir, tomar prestadas técnicas ya conocidas de la industria de semiconductores para crear nuevos metamateriales. Una técnica llamada «fotolitografía » está en el corazón de la miniaturización informática, y con ello impulsa la revolución de los ordenadores. Esta tecnología permite a los ingenieros colocar cientos de millones de minúsculos transistores en una pastilla de silicio no mayor que un pulgar.

La razón de que la potencia de los ordenadores se duplique cada dieciocho meses (lo que se conoce como ley de Moore) es que los científicos utilizan luz ultravioleta para «grabar» componentes cada vez más pequeños en un chip de silicio. Esta técnica es muy similar al modo en que se utilizan las plantillas para crear vistosas camisetas. (Los ingenieros de ordenadores empiezan con una delgada tableta de silicio y aplican sobre ella capas extraordinariamente delgadas de materiales diversos. Luego se coloca sobre la tableta una máscara plástica que actúa como una plantilla. Esta contiene los complejos perfiles de los cables, transistores y componentes de ordenador que constituyen el esqueleto básico del circuito. La tableta se baña entonces en radiación ultravioleta, que tiene una longitud de onda muy corta, y dicha radiación imprime la estructura en la tableta fotosensible. Tratando la tableta con gases y ácidos especiales, la circuitería completa de la máscara queda grabada en las zonas de la tableta que estuvieron expuestas a la luz ultravioleta. Este proceso crea una tableta que contiene centenares de millones de surcos minúsculos, que forman los perfiles de los transistores).

Un spinner utilizado en la fotolitografía.

Actualmente, los componentes más pequeños que se pueden crear con este proceso de grabado son de unos 53 nm (o unos 150 átomos de largo). Un hito en la búsqueda de la invisibilidad se alcanzó cuando esta técnica de grabado de tabletas fue utilizada por un grupo de científicos para crear el primer metamaterial que opera en el rango de la luz visible. Científicos en Alemania y en el Departamento de Energía de Estados Unidos anunciaron a principios de 2007 que, por primera vez en la historia, habían fabricado un metamaterial que funcionaba para luz roja. Lo «imposible» se había conseguido en un tiempo notablemente corto. El físico Costas Soukoulis del Laboratorio Ames en Iowa, junto con Stefan Linden, Martin Wegener y Gunnar Dolling de la Universidad de Karlsruhe, en Alemania, fueron capaces de crear un metamaterial que tenía un índice de —0,6 para la luz roja, con una longitud de onda de 780 nm.

Hasta ahora esos científicos han conseguido un índice de refracción negativo solo para luz roja. Su próximo paso sería utilizar esta tecnología para crear un metamaterial que curvara la luz roja enteramente alrededor de un objeto, haciéndolo invisible a dicha luz. Estas líneas de investigación pueden tener desarrollos futuros en el área de los «cristales fotónicos».  El objetivo de la tecnología de cristales fotónicos es crear un chip que utilice luz, en lugar de electricidad, para procesar información.

Esto supone utilizar nanotecnología para grabar minúsculos componentes en una tableta, de modo que el índice de refracción cambie con cada componente. Los transistores que utilizan luz tienen varias ventajas sobre los que utilizan electricidad. Por ejemplo, las pérdidas de calor son mucho menores en los cristales fotónicos. (En los chips de silicio avanzados, el calor generado es suficiente para freír un huevo. Por ello deben ser enfriados continuamente o de lo contrario fallarán, pero mantenerlos fríos es muy costoso).

No es sorprendente que la ciencia de los cristales fotónicos sea ideal para los metamateriales, puesto que ambas tecnologías implican la manipulación del índice de refracción de la luz en la nanoescala.

La Invisibilidad plasmónica

Para no quedarse atrás, otro grupo anunció a mediados de 2007 que había creado un metamaterial que curva luz visible utilizando una tecnología completamente diferente, llamada «plasmónica». Los físicos Henri Lezec, Jennifer Dionne y Harry Atwater del Instituto de Tecnología de California (Caltech) anunciaron que habían creado un metamaterial que tenía un índice negativo para la más difícil región azul-verde del espectro visible de la luz.

El objetivo de la plasmónica es «estrujar» la luz de modo que se puedan manipular objetos en la nanoescala, especialmente en la superficie de metales. La razón de que los metales conduzcan la electricidad es que los electrones están débilmente ligados a los átomos del metal, de modo que pueden moverse con libertad a lo largo de la superficie de la red metálica. La electricidad que fluye por los cables de su casa representa el flujo uniforme de estos electrones débilmente ligados en la superficie metálica. Pero en ciertas condiciones, cuando un haz luminoso incide en la superficie metálica, los electrones pueden vibrar al unísono con el haz luminoso original, lo que da lugar a movimientos ondulatorios de los electrones en la superficie metálica (llamados plasmones), y estos movimientos ondulatorios laten al unísono con el haz luminoso original.

En física, un plasmón es un cuanto de oscilación del plasma.

Y lo que es más importante, estos plasmones se pueden «estrujar» de modo que tengan la misma frecuencia que el haz original (y con ello lleven la misma información) pero tengan una longitud de onda mucho más pequeña. En principio se podrían introducir estas ondas estrujadas en nanocables.

Como sucede con los cristales fotónicos, el objetivo último de la plasmónica es crear chips de ordenador que computen utilizando luz en lugar de electricidad. El grupo del Caltech construyó su metamaterial a partir de dos capas de plata, con un aislante de silicio-nitrógeno en medio (de un espesor de solo 50 nm), que actuaba como una «guía de onda» que podía guiar la dirección de las ondas plasmónicas.

Luz láser entra y sale del aparato a través de dos rendijas horadadas en el metamaterial. Analizando los ángulos a los que se curva la luz láser cuando atraviesa el metamaterial, se puede verificar que la luz está siendo curvada mediante un índice negativo.

El futuro de los metamateriales

Los avances en metamateriales se acelerarán en el futuro por la sencilla razón de que ya hay un gran interés en crear transistores que utilicen haces luminosos en lugar de electricidad. Por consiguiente, la investigación en invisibilidad puede «subirse al carro» de la investigación en curso en cristales fotónicos y plasmónica para crear sustitutos para el chip de silicio. Ya se están invirtiendo centenares de millones de dólares a fin de crear sustitutos para la tecnología del silicio, y la investigación en metamateriales se beneficiará de estos esfuerzos de investigación. Debido a los grandes avances que se dan en este campo cada pocos meses, no es sorprendente que algunos físicos piensen que algún tipo de escudo de invisibilidad puede salir de los laboratorios en unas pocas décadas.

Por ejemplo, los científicos confían en que en los próximos años serán capaces de crear metamateriales que puedan hacer a un objeto totalmente invisible para una frecuencia de luz visible, al menos en dos dimensiones. Hacer esto requerirá insertar minúsculos nanoimplantes ya no en una formación regular, sino en pautas sofisticadas, de modo que la luz se curve suavemente alrededor de un objeto.

Curvatura de la luz sobre un objeto.

A continuación, los científicos tendrán que crear metamateriales que puedan curvar la luz en tres dimensiones, no solo en las superficies bidimensionales planas. La fotolitografía ha sido perfeccionada para hacer tabletas de silicio planas, pero crear metamateriales tridimensionales requerirá apilar tabletas de una forma complicada.

Después de eso, los científicos tendrán que resolver el problema de crear metamateriales que puedan curvar no solo una frecuencia, sino muchas. Esta será quizá la tarea más difícil, puesto que los minúsculos implantes que se han ideado hasta ahora solo curvan luz de una frecuencia precisa. Los científicos tal vez tendrán que crear metamateriales basados en capas, y cada capa curvará una frecuencia específica. La solución a este problema no está clara. En cualquier caso, una vez que se obtenga finalmente un escudo de invisibilidad, será probablemente un aparato complicado. El manto de Harry Potter estaba hecho de tela delgada y flexible, y volvía invisible a cualquiera que se metiese dentro.

Pero para que esto sea posible, el índice de refracción dentro de la tela tendría que estar cambiando constantemente de forma complicada mientras la tela se agitara, lo que no resulta práctico.

Lo más probable es que un verdadero «manto» de invisibilidad tenga que estar hecho de un cilindro sólido de metamateriales, al menos inicialmente. De esa manera, el índice de refracción podría fijarse dentro del cilindro. (Versiones más avanzadas podrían incorporar con el tiempo metamateriales que sean flexibles y puedan retorcerse, y aun así hacer que la luz fluya en la trayectoria correcta dentro de los metamateriales. De esta manera, cualquiera que estuviera en el interior del manto tendría cierta flexibilidad de movimientos).

Algunos han señalado un defecto en el escudo de invisibilidad: cualquiera que estuviese dentro no sería capaz de mirar hacia fuera sin hacerse visible.

Imaginemos a un Harry Potter totalmente invisible excepto por sus ojos, que parecerían estar flotando en el aire. Cualquier agujero para los ojos en el manto de invisibilidad sería claramente visible desde el exterior. Si Harry Potter fuera invisible se encontraría ciego bajo su manto de invisibilidad. (Una posible solución a este problema sería insertar dos minúsculas placas de vidrio cerca de la posición de los agujeros para los ojos. Estas placas de vidrio actuarían como «divisores de haz», que dividen una minúscula porción de la luz que incide en las placas y luego envía a luz a los ojos. De este modo, la mayor parte de la luz que incidiera en el manto fluiría a su alrededor, haciendo a la persona invisible, pero una minúscula cantidad de luz sería desviada hacia los ojos).

Por terribles que sean estas dificultadas, científicos e ingenieros son optimistas en que algún tipo de manto de invisibilidad pueda construirse en las próximas décadas.

Invisibilidad y nanotecnología

Como he mencionado antes, la clave para la invisibilidad puede estar en la nanotecnología, es decir, la capacidad de manipular estructuras de tamaño atómico de una mil millonésima de metro.

El nacimiento de la nanotecnología data de una famosa conferencia de 1959 impartida por el premio Nobel Richard Feynman ante la Sociedad Americana de Física, con el irónico título «Hay mucho sitio al fondo». En dicha conferencia especulaba sobre lo que podrían parecer las máquinas más pequeñas compatibles con las leyes de la física conocidas. Feynman era consciente de que podían construirse máquinas cada vez más pequeñas hasta llegar a distancias atómicas, y entonces podrían utilizarse los átomos para crear otras máquinas.

Richard Feynman.

Máquinas atómicas, tales como poleas, palancas y ruedas, estaban dentro de las leyes de la física, concluía él, aunque serían extraordinariamente difíciles de hacer.

La nanotecnología languideció durante años porque manipular átomos individuales estaba más allá de la tecnología de la época. Pero en 1981 los físicos hicieron un gran avance con la invención del microscopio de efecto túnel, que les valió el premio Nobel de Física a los científicos Gerd Binning y Heinrich Rohrer que trabajaban en el Laboratorio IBM en Zurich.

De repente, los físicos podían obtener sorprendentes «imágenes» de átomos individuales dispuestos como se presentan en los libros de química, algo que los críticos de la teoría atómica consideraban imposible en otro tiempo. Ahora era posible obtener magníficas fotografías de átomos alineados en un cristal o un metal. Las fórmulas químicas utilizadas por los científicos, con una serie compleja de átomos empaquetados en una molécula, podían verse a simple vista. Además, el microscopio de efecto túnel hizo posible la manipulación de átomos individuales.

Logo de la empresa IBM escrito con átomos.

De hecho, se escribieron las letras «IBM» tomando átomos de uno en uno, lo que causó sensación en el mundo científico. Los científicos ya no iban a ciegas cuando manipulaban átomos individuales, sino que realmente podían verlos y jugar con ellos.

El microscopio de efecto túnel es engañosamente simple. Como una aguja de fonógrafo que explora un disco, una sonda aguda pasa lentamente sobre el material a analizar. (La punta es tan aguda que consiste en un solo átomo). Una pequeña carga eléctrica se coloca en la sonda, y una corriente fluye desde la sonda, a través del material, hasta la superficie que hay debajo.

Secuencia de movimientos para el diseño del Logo.

La sonda es también suficientemente sensible para mover átomos individuales y crear «máquinas » sencillas a partir de átomos individuales. La tecnología está ahora tan avanzada que puede mostrarse un racimo de átomos en una pantalla de ordenador, y entonces, moviendo simplemente el cursor del ordenador, los átomos pueden moverse en la dirección que uno quiera. Se pueden manipular montones de átomos a voluntad, como si se estuviera jugando con bloques Lego.

Además de formar las letras del alfabeto utilizando átomos individuales, se pueden crear asimismo juguetes atómicos, tales como un ábaco hecho de átomos individuales.

Los átomos están dispuestos en una superficie con ranuras verticales. Dentro de estas ranuras verticales se pueden insertar buckybolas de carbono (que tienen la forma de un balón de fútbol, pero están hechas de átomos de carbono individuales). Estas bolas de carbono pueden moverse entonces arriba y abajo en cada ranura, con lo que se tiene un ábaco atómico. También es posible grabar dispositivos atómicos utilizando haces de electrones. Por ejemplo, científicos de la Universidad de Cornell han hecho la guitarra más pequeña del mundo, veinte veces más pequeña que un cabello humano, grabada en silicio cristalino. Tiene seis cuerdas, cada una de 100 átomos de grosor, y las cuerdas pueden ser pulsadas utilizando un microscopio de fuerzas atómicas. (Esta guitarra producirá música realmente, pero las frecuencias que produce están muy por encima del rango de audición humana).

De momento, la mayoría de estas «máquinas» nanotech son meros juguetes. Aún están por crear máquinas más complicadas con engranajes y cojinetes. Pero muchos ingenieros confían en que no está lejos el tiempo en que seremos capaces de producir verdaderas máquinas atómicas. (Las máquinas atómicas se encuentran realmente en la naturaleza. Las células pueden nadar libremente en el agua porque pueden agitar pelos minúsculos. Pero cuando se analiza la juntura entre el pelo y la célula se ve que es realmente una máquina atómica que permite que el pelo se mueva en todas direcciones. Así, una clave para desarrollar la nanotecnología es copiar a la naturaleza, que dominó el arte de las máquinas atómicas hace miles de millones de años).

Hologramas e Invisibilidad

Otra manera de hacer a una persona parcialmente invisible es fotografiar el escenario que hay detrás de ella y luego proyectar directamente esa imagen de fondo en la ropa de la persona o en una pantalla que lleve delante. Vista de frente parece que la persona se haya hecho transparente, que la luz haya atravesado de alguna manera su cuerpo.

«Se utilizaría para ayudar a los pilotos a ver a través del suelo de la cabina en una pista de aterrizaje, o a los conductores que tratan de ver a través de una valla para aparcar un automóvil». Una videocámara fotografía lo que hay detrás del manto. Luego esta imagen se introduce en un proyector de vídeo que ilumina la parte frontal del manto, de modo que parece que la luz ha pasado a través de la persona.

Prototipos del manto de camuflaje óptico existen realmente en el laboratorio. Si miramos directamente a una persona que lleve este manto tipo pantalla, parece que haya desaparecido, porque todo lo que vemos es una imagen de lo que hay tras la persona. Pero si movemos un poco los ojos, la imagen en el manto no cambia, lo que nos dice que es un fraude. Un camuflaje óptico más realista necesitaría crear la ilusión de una imagen 3D.

Esquema de un holograma.

Para ello se necesitarían hologramas. Un holograma es una imagen 3D creada mediante láseres (como la imagen 3D de la princesa Leia en La guerra de las galaxias). Una persona podría hacerse invisible si el escenario de fondo fuera fotografiado con una cámara holográfica especial y la imagen holográfica fuera luego proyectada a través de una pantalla holográfica especial colocada delante de la persona.

Alguien que estuviera enfrente de la persona vería la pantalla holográfica, que contiene la imagen 3D del escenario de fondo, menos la persona. Parecería que la persona había desaparecido. En lugar de dicha persona habría una imagen 3D precisa del escenario de fondo. Incluso si se movieran los ojos no se podría decir que lo que se estaba viendo era un fraude.

Estas imágenes 3D son posibles porque la luz láser es «coherente», es decir, todas las ondas están vibrando perfectamente al unísono. Los hologramas se generan haciendo que un haz láser coherente se divida en dos partes. La mitad del haz incide en una película fotográfica. La otra mitad ilumina un objeto, rebota en este y luego incide en la misma película fotográfica. Cuando estos dos haces interfieren en la película se crea una figura de interferencia que codifica toda la información que hay en la onda 3D original.

Cuando se revela la película, no dice mucho; es algo parecido a una intrincada figura de tela de araña con remolinos y líneas. Pero cuando se permite que un haz láser incida en esta película, súbitamente aparece como por arte de magia una réplica 3D exacta del objeto original. No obstante, los problemas técnicos que plantea la invisibilidad holográfica son formidables.

Un reto es crear una cámara holográfica que sea capaz de tomar al menos 50 fotogramas por segundo. Otro problema es almacenar y procesar toda la información. Finalmente, habría que proyectar esta imagen en una pantalla de modo que la imagen pareciera realista.

Invisibilidad vía la cuarta dimensión

Deberíamos mencionar también que una manera aún más sofisticada de hacerse invisible era mencionada por H. G. Wells en El hombre invisible, e implicaba utilizar el poder de la cuarta dimensión.

¿Sería posible salir de nuestro universo tridimensional y cernirnos sobre él, desde el punto de vista de una cuarta dimensión?

Como una mariposa tridimensional que se cierne sobre una hoja de papel bidimensional, seríamos invisibles a cualquiera que viviera en el universo por debajo de nosotros.

Un problema con esta idea es que todavía no se ha demostrado que existan dimensiones más altas. Además, un viaje hipotético a una dimensión más alta requeriría energías mucho más allá de cualquiera alcanzable con  nuestra tecnología actual. Como forma viable de crear invisibilidad, este método está claramente más allá de nuestro conocimiento y nuestra capacidad actuales.

Hasta la vista…. Si acaso me vuelven a ver… 

Las tecnologías actuales han logrado grandes avances pero aun no son lo suficientemente avanzadas como para crear una forma de invisibilidad carente de fallas. En las próximas décadas, o al menos dentro de este siglo, una forma de invisibilidad puede llegar a ser realidad. Dentro de un tiempo ya existirán las mantas de la invisibilidad como la que utiliza Harry Potter, aunque yo sigo prefiriendo el Anillo Único. 

Esta entrada participa en la XXXIX Edición del Carnaval de la Física, que esta siendo organizado en esta ocasión por el blog El zombi de Schrödinger. ]

Referencias |

 

Anuncios

Un nuevo tipo de magnetismo ha sido descubierto

Nuevos experimentos han demostrado la existencia de un nuevo tipo de magnetismo, el cual podría aplicarse al desarrollo de nuevas memorias de ordenador.

Sobre la base de predicciones teóricas anteriores, unos investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Cambridge, Estados Unidos, ahora han demostrado experimentalmente la existencia de un nuevo tipo de comportamiento magnético, que se suma a los dos estados de magnetismo que ya se conocían.

  • El ferromagnetismo, o sea el magnetismo simple del típico imán permanente o la aguja de una brújula, se conoce desde hace siglos.
  • El antiferromagnetismo, los campos magnéticos de los iones dentro de un metal o aleación se anulan entre sí. El antiferromagnetismo es la base de los cabezales de lectura de los discos duros de la actualidad.

El equipo de Young Lee y Tianheng Han del MIT ha demostrado que hay un tercer estado fundamental de magnetismo.

Este estado corresponde a un material que es un cristal sólido, pero su estado magnético se describe como líquido: A diferencia de los otros dos tipos de magnetismo, las orientaciones magnéticas de las partículas individuales dentro de este material fluctúan constantemente, asemejándose al movimiento constante de moléculas dentro de un líquido real.

 

Cristal de herbertsmitita. 

Philip Anderson, un importante teórico, propuso por primera vez el concepto en 1987, afirmando que este estado podría ser relevante para los superconductores de alta temperatura.

El material en sí mismo es un cristal de un mineral llamado herbertsmitita. Lee y sus colegas lograron por primera vez obtener un cristal grande y puro de este material el año pasado, un proceso que tardó 10 meses, y desde entonces han estado estudiando sus propiedades en detalle.

Puede que transcurra bastante tiempo traducir esta investigación de física fundamental en aplicaciones prácticas. Pero el trabajo podría conducir a importantes avances en el almacenamiento de datos o en las comunicaciones. Los resultados también podrían ser relevantes para la investigación de superconductores de alta temperatura, y finalmente podrían conducir a nuevos desarrollos en ese campo.

A través de sus experimentos, el equipo hizo un importante descubrimiento, Lee dice: Encontraron un estado con excitaciones fraccionados, que había sido predicho por algunos teóricos sino que era una idea muy controvertida. Mientras más materia tiene estados cuánticos discretos cuyos cambios se expresan como números enteros, este material exhibe QSL fraccionada estados cuánticos. De hecho, los investigadores encontraron que estos estados excitados, llamados espinones, forman un continuo. Esta observación, se dice en el artículo de Nature, es “una notable primera”.

Dispersión de neutrones

Para medir este estado, el equipo utilizó una técnica llamada dispersión de neutrones, que es la especialidad de Lee. Para llevar realmente a cabo las mediciones, se utilizó un espectrómetro de neutrones en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de Gaithersburg, Md.

Los resultados, dice Lee, son “evidencia muy fuerte de esta fragmentación” de los estados de espín. “Esa es una predicción teórica fundamental para líquidos giro que estamos viendo de una manera clara y detallada para la primera vez.”

Se puede tomar un tiempo largo para traducir esta “investigación muy fundamental” en las aplicaciones prácticas, dice Lee. El trabajo podría conducir a avances en el almacenamiento de datos o comunicaciones, dice – tal vez usando un exótico fenómeno cuántico llamado entrelazamiento de largo alcance, en el que dos partículas muy distantes entre sí instantáneamente puede influir en los demás estados. Los resultados también podrían influir en la investigación de superconductores de alta temperatura, y en última instancia, podría dar lugar a nuevos avances en ese campo, dice.

“Tenemos que conseguir una comprensión más completa del panorama general”, dice Lee. “No hay una teoría que describa todo lo que estamos viendo”.

Información adicional: http://web.mit.edu/newsoffice/2012/mit-researchers-discover-a-new-kind-of-magnetism-1219.html

El campo magnético terrestre colabora en la degradación de la capa de ozono

La interacción del campo magnético terrestre con sustancias químicas contaminantes podría explicar la presencia de estas sustancias en las zonas polares, donde hoy se registra el mayor deterioro de la capa de ozono, según un estudio de la Universidad Autónoma de Madrid, en España.

Año tras año la capa de ozono se reduce en las zonas polares. Como causa de este fenómeno los científicos han identificado en dichas zonas la presencia de óxidos de nitrógeno, átomos de cloro y radicales monóxido, entre otras especies químicas que participan como sustancias intermedias en reacciones en cadena de degradación de las moléculas de ozono. Se sabe que el origen de estas especies químicas se encuentra en muchos productos y combustibles utilizados especialmente en las zonas más pobladas y desarrolladas del planeta, pero hasta ahora no se ha constatado cuál es el mecanismo que las transporta hasta las zonas polares. 

Una reciente investigación —publicada en la revista Green and Sustainable Chemistry por Jaime González Velasco, Catedrático de Química Física y Electro química de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM)— ofrece nuevos elementos para explicar la presencia en las zonas polares de las especies químicas que degradan esa capa que en la tierra funciona como filtro de las radiaciones ultravioleta.

En su trabajo, González Velasco encuentra que el motor de este mecanismo son las propias características magnéticas de las especies químicas. En concreto, resalta la distinción entre sustancias diamagnéticas y sustancias paramagnéticas. Esta distinción es la que permite entender que, en un campo magnético, unas sustancias —las paramagnéticas— sean atraídas hacia la región donde el campo es más intenso, mientras que otras —las diamagnéticas— sean atraídas hacia la región donde el campo es más débil.

 

En base a esto el autor argumenta que, en el campo magnético terrestre, las moléculas de oxígeno, al ser paramagnéticas, serían dirigidas hacia los polos, donde la intensidad del campo es máxima. Por el contrario, las moléculas de ozono, al ser diamagnéticas, serían transportadas por el campo magnético terrestre hacia zonas en las que su intensidad es mínima, es decir, hacia las zonas tropicales y ecuatoriales.

Para el investigador, el que las moléculas de oxígeno sean paramagnéticas y las de ozono diamagnéticas, podría explicar también la reducción anormal que cada año sufre la capa de ozono durante las estaciones de primavera y su consiguiente recuperación durante las estaciones de verano. De hecho, el catedrático propone un mecanismo que explica estos ciclos anuales de degradación-recuperación.

La degradación de la capa de ozono no tiene lugar en las zonas templadas de los hemisferios norte y sur de la tierra, que es donde se acumula la mayor concentración de población contaminante. Puesto que la degradación aparece en latitudes polares, los científicos han concluido que debe existir un mecanismo de transporte hacia esas latitudes que explique la presencia de los átomos de cloro, óxidos de nitrógeno y demás sustancias que actúan en la destrucción de la capa ozono.

Otro indicio importante de este mecanismo, es el hecho de que la degradación de la capa de ozono se produce en primavera, que es cuando comienzan a llegar fotones a las zonas polares, los cuales inducen los procesos fotoquímicos necesarios para que se produzca la desaparición de las moléculas de ozono.

Además, el agujero de la capa de ozono que aparece en las latitudes australes suele ser de mayor magnitud que el que se produce en las zonas boreales, pese a que es en el hemisferio norte donde se produce la mayor acumulación de actividades industriales y de tráfico de diversos tipos de vehículos responsables de la generación de óxidos de nitrógeno.

Como mecanismos de transporte de las especies degradantes se ha recurrido hasta el momento a considerar como responsables a los vientos dominantes a diversas alturas de la atmósfera, que generan corrientes capaces de llevar hasta los polos las moléculas, átomos y radicales perjudiciales.

No obstante, bajo esta teoría quedan sin explicación muchas cuestiones, como la distribución de concentraciones de óxidos de nitrógeno a diversas alturas de la atmósfera. Pero eso en un futuro muy corto lo podremos conocer…