Después de décadas de teorización basada en la física, los investigadores han logrado crear un nuevo metamaterial óptico utilizando materiales convencionales. Su efecto electromagnético mejorado puede hacer realidad el verdadero vidrio unidireccional y hacer que los paneles solares sean más eficientes.
La respuesta de un material tradicional a los campos eléctricos y magnéticos (y, por tanto, a la luz) está determinada por los átomos. Sin embargo, en los metamateriales ópticos, los átomos son reemplazados por metaátomos que pueden diseñarse estructuralmente para poseer propiedades raramente vistas en la naturaleza, lo que permite un diseño que produce respuestas electromagnéticas únicas y permite la manipulación precisa de la luz a nanoescala.
La capacidad de controlar y manipular la luz a nanoescala abre muchas aplicaciones para los metamateriales en diversos campos. Ahora, investigadores de la Universidad Aalto en Finlandia han creado un nuevo metamaterial óptico que puede hacer realidad el verdadero vidrio unidireccional.
En su forma más general, el efecto magnetoeléctrico (ME) denota un acoplamiento entre las propiedades magnéticas y eléctricas de un material. Si bien el efecto de la magnetización en materiales tradicionales a frecuencias ópticas es insignificante, se puede mejorar utilizando metamateriales, donde la magnetización puede ser inducida por el componente eléctrico de la luz y la polarización puede ser generada por el componente magnético.
Estudios anteriores han demostrado que el magnetismo es fuerte en frecuencias de microondas, produciendo efectos EM pronunciados en este rango espectral. A pesar de dos décadas de teorización, hasta ahora ha sido difícil crear un metamaterial que opere fuera de ese rango.
El nuevo metamaterial se basó en el efecto magnetoeléctrico no recíproco (NME). Sin entrar demasiado en la «física», el efecto NME implica que las propiedades de magnetización y polarización de un material están vinculadas a los diferentes componentes de la luz u otras ondas electromagnéticas.
«Hasta ahora, el efecto NME no ha dado lugar a aplicaciones industriales realistas», afirmó Shadi Safaei Jazi, autor principal del estudio. «La mayoría de los enfoques propuestos sólo funcionarían con microondas y no con luz visible, y tampoco podrían fabricarse con la tecnología disponible».
Los investigadores superaron con éxito estos problemas utilizando tecnología existente y técnicas de nanofabricación para crear un metamaterial NME óptico tridimensional cuyos metaátomos individuales, hechos de materiales convencionales, cobalto y silicio, se magnetizan espontáneamente.
El novedoso metamaterial allana el camino para aplicaciones que de otro modo necesitarían un fuerte campo magnético externo para funcionar, como el verdadero vidrio unidireccional. El vidrio actual llamado «unidireccional» es en realidad semitransparente y deja pasar la luz en ambas direcciones. Actúa como vidrio unidireccional cuando hay una diferencia de brillo entre los dos lados. Sin embargo, un vidrio unidireccional basado en NME no requeriría esa diferencia de brillo porque la luz solo podría atravesarlo en una dirección.
«Imagínense tener una ventana con ese vidrio en su casa, oficina o automóvil», dijo Safaei. “Independientemente de la luminosidad exterior, la gente no podría ver nada del interior, mientras que tú disfrutarías de una vista perfecta desde tu ventana.
El metamaterial también tiene el potencial de hacer que las células solares sean más eficientes al bloquear las emisiones térmicas que las células existentes irradian hacia el sol, reduciendo la cantidad de energía que capturan.
El estudio fue publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza.
Fuente: Universidad Aalto