Transparencia inducida: el control preciso del flujo de energía (indicado por partículas brillantes en la niebla) hace que el material artificial sea totalmente transparente a la señal óptica. Crédito: Andrea Steinfurth, Universidad de Rostock
Científicos de la Universidad de Rostock, en estrecha colaboración con socios de la Universidad Tecnológica de Viena, han desarrollado un nuevo proceso que puede hacer que los materiales hechos por el hombre sean transparentes o incluso completamente invisibles, según se requiera. Su descubrimiento fue publicado recientemente en la reconocida revista Los científicos progresan.
Hacer algo invisible es un tropo común en la ciencia ficción, como la capa de invisibilidad en Harry Potter. De acuerdo, eso suena genial, pero la razón por la que es tan común en las historias es porque sería una tecnología increíblemente útil. Los usos para el espionaje y el ejército son obvios, pero hay muchas más aplicaciones.
Dada su inmensa utilidad, tal vez no sea sorprendente que los científicos e ingenieros estén trabajando activamente en ello. También han progresado bastante en el uso de trióxido de molibdeno, metamateriales, metapantallas y materiales dieléctricos para fabricar capas de invisibilidad. Todo se reduce a manipular la luz de la manera correcta, y lo que es particularmente maravilloso es que la innovación en esta área también puede mejorar drásticamente los sensores, las telecomunicaciones, el cifrado y muchas otras tecnologías.
El espacio, la última frontera… la nave espacial Enterprise continúa su misión de explorar la galaxia, cuando todos los canales de comunicación se ven repentinamente cortados por una nebulosa impenetrable. En muchos episodios de la icónica serie de televisión Star Trek, la valiente tripulación debe «técnica de la tecnología» y «científica de la ciencia» en solo 45 minutos de tiempo de transmisión para facilitar su escape de esta o una situación similar antes de los créditos finales. Aunque pasaron mucho más tiempo en sus laboratorios, un equipo de científicos de la Universidad de Rostock logró desarrollar un enfoque completamente nuevo para diseñar materiales artificiales capaces de transmitir señales de luz sin ninguna distorsión por medio de flujos de energía sintonizados con precisión.
“Cuando la luz viaja a través de un medio no homogéneo, se dispersa. Este efecto convierte rápidamente un haz compacto y dirigido en un resplandor difuso, y nos resulta familiar a todos por las nubes de verano y la niebla de otoño”, describe el profesor Alexander Szameit, del Instituto de Física de la Universidad de Rostock, el punto de partida de su equipo. consideraciones En particular, es la distribución de densidad microscópica de un material lo que dicta los detalles de la dispersión. Szameit continúa: «La idea fundamental de la transparencia inducida es aprovechar una propiedad óptica mucho menos conocida para despejar el camino del haz, por así decirlo».
Esta segunda propiedad, conocida en el campo de la fotónica bajo el misterioso título de no hermiticidad, describe el flujo de energía, o más precisamente la amplificación y atenuación de la luz. Intuitivamente, los efectos asociados pueden parecer indeseables; en particular, el desvanecimiento de un haz de luz debido a la absorción parecería muy contraproducente para mejorar la transmisión de la señal. Sin embargo, los efectos no hermitianos se han convertido en un aspecto clave de la óptica moderna, y todo un campo de investigación se esfuerza por explotar la interacción sofisticada de pérdida y amplificación para una funcionalidad avanzada.
«Este enfoque abre posibilidades completamente nuevas», informa la estudiante de doctorado Andrea Steinfurth, primera autora del artículo. Con respecto a un haz de luz, es posible amplificar o atenuar selectivamente porciones específicas de un haz a nivel microscópico para contrarrestar cualquier degradación incipiente. Para permanecer en la imagen de la nebulosa, sus propiedades de dispersión de luz podrían eliminarse por completo. “Modificamos activamente un material para adaptarlo a la mejor transmisión posible de una señal de luz específica”, explica Steinfurth. «Para hacer esto, el flujo de energía debe controlarse con precisión, de modo que pueda encajar en el material y la señal como piezas de un rompecabezas».
En estrecha colaboración con socios de la Universidad Tecnológica de Viena, los investigadores de Rostock han superado con éxito este desafío. En sus experimentos, pudieron recrear y observar las interacciones microscópicas de las señales de luz con sus nuevos materiales activos en matrices de fibra óptica de un kilómetro de largo.
De hecho, la transparencia inducida es solo una de las fascinantes posibilidades que surgen de estos descubrimientos. Si realmente hay que hacer desaparecer un objeto, no basta con impedir su difusión. En cambio, las ondas de luz deberían emerger detrás de él sin ser perturbadas. Sin embargo, incluso en el vacío del espacio, la difracción por sí sola garantiza que cualquier señal inevitablemente cambiará de forma. “Nuestra investigación proporciona la receta para estructurar un material de tal manera que los rayos de luz lo atraviesen como si ni el material ni la región del espacio que ocupa existieran. Incluso los dispositivos ficticios de encubrimiento romulano no pueden hacerlo”, dice el coguionista Dr. Matthias Heinrich, que regresa a La última frontera de Star Trek.
Los resultados presentados en este trabajo representan un gran avance en la investigación fundamental sobre fotónica no hermítica y proporcionan nuevos enfoques para el ajuste fino activo de sistemas ópticos sensibles, por ejemplo, sensores para uso médico. Otras aplicaciones potenciales incluyen el cifrado óptico y la transmisión segura de datos, así como la síntesis de materiales artificiales versátiles con propiedades personalizadas.
Referencia: «Observación de ondas de fotones de intensidad constante y transparencia inducida en redes no hermitianas adaptadas» por Andrea Steinfurth, Ivor Krešic, Sebastian Weidemann, Mark Kremer, Konstantinos G. Makris, Matthias Heinrich, Stefan Rotter y Alexander Szameit, 25 de mayo de 2022 , La ciencia.
DOI: 10.1126/sciadv.abl7412