Refracción negativa de la luz usando átomos

Por vez primera, se ha demostrado que se puede conseguir una refracción negativa utilizando átomos convenientemente posicionados, sin necesidad de tener que recurrir a metamateriales fabricados artificialmente.

La comunidad científica lleva mucho tiempo intentando controlar la luz de formas que parecen desafiar las leyes de la Naturaleza. La refracción negativa (un fenómeno por el que la luz se curva en dirección contraria a la de su comportamiento habitual) ha despertado mucha fascinación por su potencial para revolucionar la óptica, posibilitando llevar a la práctica conceptos teóricos como el de las superlentes o el de los dispositivos de invisibilidad.

Ahora, unos conjuntos de átomos cuidadosamente posicionados han acercado un poco más estas posibilidades, logrando una refracción negativa sin necesidad de metamateriales fabricados artificialmente.

El logro es obra de Janne Ruostekoski y Kyle Ballantine, de la Universidad de Lancaster en el Reino Unido, y Lewis Ruks, de los Laboratorios de Investigación Básica de la empresa NTT en Japón.

Los materiales naturales interactúan con la luz a través de transiciones atómicas, en las que los electrones saltan entre distintos niveles de energía. Sin embargo, este proceso de interacción tiene importantes limitaciones. Por ejemplo, la luz interactúa principalmente con su componente de campo eléctrico, por lo que el componente de campo magnético queda prácticamente sin usar.

Estas limitaciones inherentes a las propiedades ópticas de los materiales naturales han impulsado el desarrollo de metamateriales artificiales basados en el fenómeno de la refracción negativa.

La refracción se produce cuando la luz cambia de dirección al pasar, por ejemplo, del aire al agua o al vidrio. La refracción negativa, sin embargo, es un efecto contrario a la lógica convencional por el que la luz en un medio se curva en la dirección opuesta a la que suele observarse en la naturaleza, lo cual desafía la creencia tradicional sobre cómo se comporta la luz en los materiales.

El atractivo de la refracción negativa reside en sus revolucionarias aplicaciones potenciales, como la creación de una lente perfecta capaz de enfocar y obtener imágenes más allá del límite de difracción, o el desarrollo de dispositivos de camuflaje que vuelvan invisibles a los objetos que los usen.

Aunque se ha logrado la refracción negativa en metamateriales, las aplicaciones prácticas en frecuencias ópticas siguen viéndose obstaculizadas por las imperfecciones en la fabricación y por las pérdidas no radiativas, que todavía limitan mucho las aplicaciones.

La innovadora estrategia de Ruostekoski, Ballantine y Ruks se basa en realizar simulaciones detalladas, átomo por átomo, de la propagación de la luz a través de conjuntos de átomos.

Su trabajo demuestra que la respuesta conjunta de unos átomos convenientemente posicionados puede permitir la refracción negativa, eliminando por completo la necesidad de metamateriales.

Controlar la luz de maneras que aparentemente desafían las leyes de la naturaleza es un viejo anhelo humano. (Imagen: Lancaster University)

El comportamiento colectivo de los átomos en ciertas redes ópticas ofrece varias ventajas fundamentales. A diferencia de los metamateriales fabricados artificialmente, los sistemas atómicos proporcionan un medio prístino y limpio, libre de imperfecciones de fabricación. En estos sistemas, la luz interactúa con los átomos de forma controlada y precisa, sin las pérdidas por absorción que suelen convertir parte de la luz en calor.

Ruostekoski, Ballantine y Ruks exponen los detalles técnicos de su avance en la revista académica Nature Communications, bajo el título “Negative refraction of light in an atomic medium”. (Fuente: NCYT de Amazings)