Diseñan un nuevo metamaterial de índice de refracción negativo que responde a la luz visible

Las matrices de guía de onda coaxial plasmónica acoplada ofrecen un nuevo enfoque por el cual se pueden realizar metamateriales de índice de refracción negativo que son extraordinariamente insensibles al ángulo de incidencia y la polarización en el rango de luz visible. Crédito: Caltech / Stanley Burgos.

Se trata de un material excepcionalmente versátil que, entre otras aplicaciones, podría ser utilizado para una recolección mucho más eficiente de la luz en células solares.

Un grupo de científicos liderados por investigadores del Instituto de Tecnología de California (Caltech) ha diseñado un tipo de material óptico artificial -un metamaterial- con una particular estructura tridimensional, de tal manera que la luz exhibe un índice negativo de refracción al entrar en el material. En otras palabras, este material "curva" la luz en la dirección "equivocada" respecto a lo que normalmente debiera suceder, con independencia del ángulo de incidencia.

Este nuevo tipo de metamateriales de índice negativo (MNE), descrito en una publicación adelantada en Internet en la revista Nature Materials, es más simple que los anteriores MNE -y sólo requiere una única capa funcional- y aún más versátil, ya que puede manejar la luz con cualquier polarización en un amplio rango de ángulos de incidencia. Y puede hacer todo esto en la parte azul del espectro visible, por lo que es "el primer metamaterial de índice negativo para operar a frecuencias visibles", dice el estudiante graduado Stanley Burgos, un investigador de las Interacciones Luz-Material en el Centro de Investigación en la Frontera de Conversión de Energía en Caltech, y autor principal del artículo.

"Mediante la planeación de un metamaterial con dichas propiedades, estamos abriendo la puerta a inusuales -pero potencialmente útiles- fenómenos como superlentes (imágenes de alta resolución más allá del límite de difracción), capa de invisibilidad, y la síntesis de materiales de índice de concordancia con la atmósfera, para la mejora potencial de la recolección de la luz en células solares", dice Harry Atwater, Profesor Howard Hughes y catedrático de física aplicada y ciencias de los materiales, director del Instituto Caltech Resnick, miembro fundador del Instituto Kavli de Nanociencia, y líder del equipo de investigación

Lo que hace a este NIM (Nearly Index Matched) único, dice Burgos, es su ingeniería.

"La fuente de la respuesta de índice negativo es fundamentalmente diferente de la de los anteriores diseños NIM", explica. Los esfuerzos anteriores utilizaron varias capas de "elementos de resonancia" para refractar la luz de esta manera inusual, mientras que esta versión se compone de una sola capa de plata impregnada con "elementos de guía de onda plasmónicos acoplados."

Los plasmones de superficie son ondas de luz acopladas a las ondas de electrones en la interfase entre un metal y un dieléctrico (material no conductor como el aire). Los elementos de guía de onda plasmónicos rutean estas ondas acopladas a través del material. No sólo es este material más factible de fabricar que los utilizados anteriormente, dice Burgos, sino que también permite una simple "sintonización" de la respuesta del índice negativo, al cambiar los materiales utilizados, o la geometría de la guía de ondas, el NIM se puede ajustar para responder a una longitud de onda diferente de luz que viene desde casi cualquier ángulo con cualquier polarización. "El cuidado de la ingeniería del acoplamiento entre los elementos de guía de onda fue tal, que hizo posible desarrollar un material con un índice de refracción casi isotrópico sintonizado para operar a frecuencias visibles."

Este tipo de flexibilidad funcional es fundamental si el material se va a utilizar en una amplia variedad de formas, dice Atwater. "Para las aplicaciones prácticas, es muy importante para la respuesta de un material ser insensible tanto al ángulo de incidencia como al de polarización", dice. "Tomemos anteojos, por ejemplo. Con el fin de que se enfoque correctamente la luz reflejada por un objeto en la parte posterior del ojo, debe ser capaz de aceptar y enfocar la luz proveniente de una amplia gama de ángulos, independientes de la polarización. Dicho de otra manera, su respuesta debe ser casi isotrópica. Nuestro metamaterial tiene las mismas capacidades en términos de su respuesta a la luz incidente. "

Esto significa que el nuevo metamaterial es especialmente adecuado para su uso en células solares, Atwater añade. "El hecho de que nuestro diseño NIM es sintonizable significa que podría ajustar su índice de respuesta para adaptarse mejor al espectro solar, lo que permite el desarrollo de los metamateriales de banda ancha de gran angular que podrían intensificar la recogida de luz en células solares", explica. "Y el hecho de que el metamaterial tiene una respuesta de gran angular es importante porque significa que puede aceptar la luz de una amplia gama de ángulos. En el caso de las células solares, esto significa recolección de más luz y menos reflejo o desperdicio de la misma".

"Este trabajo se destaca porque, a través de una cuidadosa ingeniería, fue alcanzada una mayor simplicidad", dice Ares Rosakis, presidente de la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas en Caltech y Profesor Theodore von Kármán de Ingeniería Aeronáutica y Mecánica.

Además de Burgos y Atwater, los otros autores del trabajo en Nature Materials, "Un metamaterial de índice negativo de campo amplio y capa simple a frecuencias visibles", son René de Waele y Albert Polman de la Fundación para la Investigación Fundamental en materia de Instituto Atómica y Física Molecular en Amsterdam. Su trabajo fue apoyado por el programa del Centro de Investigación en la Frontera de la Energía, de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía; la National Science Foundation; el Nederlandse Organisatie voor Onderzoek wetenschappelijk, y "NanoNed", un programa de nanotecnología financiado por el Ministerio neerlandés de Asuntos Económicos.

Traducido de:
Caltech-Led Team Designs Novel Negative-Index Metamaterial that Responds to Visible Light (Caltech)