Metamateriales hiperbólicos que permiten estudiar la causalidad en el espaciotiempo de Minkowski

Los metamateriales y la óptica de transformación están de moda pues permiten diseñar dispositivos fascinantes como lentes perfectas, capas de invisibilidad y objetos negros perfectos. Un metamaterial fabricado e iluminado con un haz láser en la aproximación de rayos extraordinarios (es decir, paralelos al eje de anisotropía) permite desarrollar un análogo óptico al concepto de espaciotiempo de Minkowski en 2+1 dimensiones y con él análogos físicos a agujeros negros, agujeros de gusano, propulsores (warp drive) de Alcubierre y cuerdas cósmicas. En estos sistemas una de las coordenadas espaciales del metamaterial tridimensional (por ejemplo la vertical) se comporta como tiempo y las otras dos (las transversales) como espacio, con lo que se simulan métricas de Minkowski solo en 2+1 dimensiones. El problema es que la luz en este medio puede propagarse por la coordenada que hace de tiempo (la vertical) en ambas direcciones, violando la causalidad (los eventos del “futuro” simulado pueden afectar a los eventos del “pasado” simulado). Igor I. Smolyaninov (Univ. Maryland, EEUU) propone un nuevo diseño de metamaterial hiperbólico “causal” que presenta una ruptura de la simetría PT (combinación de la simetría de reflexión en un espejo y la inversión temporal), lo que garantiza que la luz solo se puede propagar en una de las direcciones a la largo de la coordenada espacial que hace de tiempo. Con ello, el espaciotiempo de Minkowski que se simula en el material conserva la causalidad. La propuesta es puramente teórica y las figuras se han obtenido utilizado una simulación en COMSOL, sin embargo, el autor cree que estos metamateriales son realizables físicamente. Habrá que estar al tanto en los próximos años. El artículo técnico es Igor I. Smolyaninov, “Modeling of causality with metamaterials,” arXiv:1210.5628, Subm. 20 Oct 2012.

El grafeno vale para casi todo, pero no para todo

Hoy en día parece que el grafeno sirve para todo, sin embargo, hay aplicaciones que requieren un buen conductor para las que el grafeno no es adecuado, siendo el mejor conductor conocido. En metamateriales y en plasmónica se utilizan metales nobles (como el oro) pero a alta frecuencia no son buenos conductores y presentan muchas pérdidas. El grafeno podría ser la solución, pero un nuevo artículo técnico publicado en Nature Photonics indica que “no es oro todo lo que reluce” (nunca mejor dicho). El grafeno no es una alternativa a los metales nobles en metamateriales (tampoco lo son los superconductores de alta temperatura). En plasmónica, donde se usan plasmones de superficie, tampoco se obtienen ventajas utilizando estos materiales. Para descubrir estos inconvenientes del grafeno, los autores del artículo han introducido un nuevo parámetro (figure-of-merit) que caracteriza el rendimiento de un conductor como material resonante en metamateriales. El artículo técnico es Philippe Tassin, Thomas Koschny, Maria Kafesaki & Costas M. Soukoulis, “A comparison of graphene, superconductors and metals as conductors for metamaterials and plasmonics,” Nature Photonics, Published online 04 March 2012.

Propuesta teórica para la simulación del multiverso utilizando metamateriales

La analogía física es clave para el avance de muchos campos de conocimiento. Explorar un agujero negro y verificar la existencia de la radiación de Hawking parece imposible. Sin embargo, se han fabricado análogos ópticos de un agujero negro en los que es posible que algún día observemos dicha radiación (hasta el momento no se ha logrado). Igor I. Smolyaninov, de la Universidad de Maryland, EE.UU., nos propone utilizar un metamaterial (un medio óptico ahora muy de moda) para simular el multiverso y estudiar su naturaleza cuántica. El multiverso se caracteriza por regiones (“universos”) en las que la dimensión efectiva y la topología cambian. En un metamaterial podemos configurar el espacio óptico para que simule regiones cuya geometría y topología corresponda a teorías de Kaluza-Klein efectivas (espaciotiempos con algunas dimensiones compactificadas). Estos metamateriales presentarían transiciones de fase en las que cambiarían sus propiedades topológicas que según Smolyaninov simularían transiciones entre estas teorías efectivas y con ellas el surgimiento de un universo dentro del multiverso. Su trabajo presenta modelos ópticos para espaciotiempos de tipo dS3×S1 (un espaciotiempo tipo de Sitter en 3 dimensiones con una dimensión compactificada en un círculo) y tipo dS2×S2 (un espaciotiempo tipo de Sitter en 2 dimensione con dos dimensiones compactificadas en una esfera). Afirma también, aunque no lo detalla en su artículo, que se pueden obtener análogos de dS4 (de Sitter en 4D) y AdS4 (anti-de Sitter en 4D). Forzando la aparición de transiciones ópticas no lineales entre estos estados en el metamaterial podría permitir estudiar las características cuánticas de las transiciones entre “universos” en un multiverso y la generación cuántica de “universos.” Parece fascinante, aunque por ahora es sólo una propuesta teórica y me temo que se necesitarán muchos años para ponerla en práctica. Para los interesados en más detalles, aunque este tema está todavía muy verde, el artículo técnico es I.I. Smolyaninov, “Metamaterial “Multiverse”,” ArXiv, 6 May 2010.

La luz de un arco iris atrapada en el aire entre dos películas de oro nanométricas

Los metamateriales tienen propiedades ópticas asombrosas, como ralentizar la luz hasta pararla. Se ha logrado por primera vez atrapar la luz de un arco iris en el rango de frecuencias visible, de 457 a 633 nm. El nuevo dispositivo fabricado por físicos de las Universidades de Towson y Purdue, EEUU, consta de una lente convexa de cristal de 4,5 mm. de diámetro con una de sus caras recubierta por una película de oro de 30 nm. de grosor. Esta cara está apoyada en un cristal plano recubierto de otra película de oro de 70 nm. de grosor. La luz es almacenada en la capa de aire que queda en medio. En el experimento se ha utilizado la luz de un láser de argón multifrecuencia (que opera a 457 nm, 465 nm, 476 nm, 488 nm, y 514 nm) y un láser de He-Ne que opera a 633-nm. La figura que acompaña esta imagen ha sido obtenida con un microscopio óptico. La capa de aire se comporta como una guía de ondas multimodo. En la figura los anillos coloreados representan las posiciones donde la velocidad de grupo de los modos se hace cero. En estos lugares se almacena la luz completamente parada. La posición donde se para la luz depende de su color, con lo que las diferentes frecuencias se paran en lugares diferentes. De esta forma se logra parar la luz de un arcoiris y atraparlo en el dispositivo. Para los interesados en más detalles, el artículo técnico es V.N. Smolyaninova, I.I. Smolyaninov, A.V. Kildishev, V. M. Shalaev, “Experimental Observation of the Trapped Rainbow,” ArXiv, 23 Nov. 2009.

Un agujero negro (artificial) para el tejado de cada hogar

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Resultados experimentales para microondas a 18 GHz.

Uno de los campos que recibirá próximamente un Premio Nobel de Física son los metamateriales. Permiten desarrollar capas de invisibilidad, superlentes y, ahora, agujeros negros artificiales. Propuestos teóricamente hace unos meses, se acaban de fabricar experimentalmente en Nanjing, China. Una región circular de la que la luz (microondas) puede entrar pero no escapar (como microondas, dicho metamaterial se calienta y emite luz infrarroja). Desde el punto de vista de la analogía física se trata de un agujero negro tan real como uno astrofísico, por lo que en un futuro permitirá realizar experimentos cuánticos, incluyendo la (posible) generación de radiación de Hawking en el laboratorio (aunque no será fácil lograrlo). La analogía ideal que todo físico relativista estaba buscando. Las sorpresas lloverán en los próximos años. ¿Algún día estos agujeros negros artificiales serán útiles para algo? Como son elementos absorbentes de la luz, podrán tener utilidad en el desarrollo de placas solares fotovoltáicas más eficientes que, quizás me aventuro a afirmar, acabarán en los tejados de nuestros hogares. Sí, agujeros negros artificiales en el tejado de nuestras casas. Da para pensar. Nos lo cuentan magistralmente, no sin cierto humor, en “Artificial Black Hole Created in Chinese Lab,” ArXiv blog, Wednesday, October 14, 2009 [noticia que busca portada en Menéame]. El artículo técnico experimental es Qiang Cheng, Tie Jun Cui, “An electromagnetic black hole made of metamaterials,” ArXiv, Submitted on 12 Oct 2009. Los interesados en la propuesta teórica original disfrutarán de Evgenii E. Narimanov, Alexander V. Kildishev, “Optical black hole: Broadband omnidirectional light absorber,” Appl. Phys. Lett. 95: 041106, 2009.  Hay muchas otras propuestas basadas en cristales fotónicos y otras tecnologías ópticas.

Agujero negro artificial fabricado y detalle de sus celdas elementales.

Agujero negro artificial fabricado y detalle de sus celdas elementales.

Qiang y Tie han fabricado un circuito integrado con 60 círculos concéntricos que utiliza dos tipos de elementos, unos que resuenan con las microondas y otros que no lo hacen. Las capas interiores son capaces de absorber completamente microondas con una frecuencia de 18 GHz que incidan en cualquier dirección. Obviamente, la energía ni se crea ni se destruye, por lo que dichas capas interiores se calientan. Materiales completamente negros, es decir, completamente absorbentes de la luz son de gran utilidad en la fabricación de células solares para placas fotovoltáicas.

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Simulaciones numéricas para el agujero negro artificial con microondas a 50 GHz.

Hemos de recordar que no es la primera vez que se fabrica un agujero negro en un laboratorio, aunque sí la primera vez que se hace ópticamente (“Fabricado el primer agujero negro acústico en un condensado de Bose-Einstein,” 11 Junio 2009). Los materiales negros son muy importantes en células solares fotovoltáicas y este avance tiene competidores, como los materiales basados en “pelos” de nanotubos de carbono (“Casi más oscuro que un agujero negro (o “el lado oscuro” de los nanotubos de carbono),” 11 Febrero 2008). Una de las primeras cosas interesantes que se podrán observar con el nuevo agujero negro artificial óptico de forma muy sencilla son las glorias de los agujeros negros (“La gloria de los agujeros (o cómo la luz interactúa con un agujero negro),” 7 Febrero 2008).

Los agujeros negros existen (han sido fabricados) en laboratorio, pero ¿existen los agujeros negros astrofísicos? Quizás sean estrellas negras (“¿Existen los agujeros negros? (sobre Science News’s “No more black holes?”),” 7 Enero 2008, y “Estrellas negras: agujeros negros fallidos como resultado de un efecto cuántico, la polarización del vacío,” 28 Septiembre 2009).