Camuflaje con metamateriales

El campo de la óptica de transformación se fundamenta en los efectos producidos por los metamateriales. ^{[ 1 ]}

La óptica de transformación tiene sus orígenes en las conclusiones de dos investigaciones. Fueron publicadas el 25 de mayo de 2006 en el mismo número de Science , una revista revisada por pares. Ambos artículos presentan teorías plausibles sobre la desviación o distorsión de la luz para ocultar electromagnéticamente un objeto. Cabe destacar que ambos trabajos mapean la configuración inicial de los campos electromagnéticos en una malla cartesiana . Al girar la malla cartesiana, se transforman las coordenadas de los campos electromagnéticos, lo que a su vez oculta un objeto determinado. Así, con estos dos artículos, nace la óptica de transformación. ^{[ 2 ] [ 10 ] [ 11 ]}

La óptica de transformación se basa en la capacidad de desviar la luz , las ondas electromagnéticas y la energía de cualquier forma deseada para una aplicación específica. Las ecuaciones de Maxwell no varían aunque las coordenadas se transformen. En cambio, son los valores de los parámetros elegidos de los materiales los que se "transforman" o alteran durante un período de tiempo determinado. Por lo tanto, la óptica de transformación se desarrolló a partir de la capacidad de elegir los parámetros para un material dado. Así, dado que las ecuaciones de Maxwell conservan la misma forma, son los valores sucesivos de los parámetros, permitividad y permeabilidad , los que cambian con el tiempo. Además, la permitividad y la permeabilidad son, en cierto sentido, respuestas a los campos eléctricos y magnéticos de una fuente de luz radiada, respectivamente, entre otras descripciones. El grado preciso de respuesta eléctrica y magnética se puede controlar punto por punto en un metamaterial. Dado que se puede mantener un control tan preciso sobre las respuestas del material, esto da lugar a un material de índice de refracción gradual mejorado y altamente flexible. El índice de refracción predeterminado convencionalmente de los materiales ordinarios se convierte en gradientes espaciales independientes en un metamaterial, que se pueden controlar a voluntad. Por lo tanto, la óptica de transformación es un nuevo método para crear dispositivos ópticos novedosos y únicos . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 8 ] [ 10 ] [ 12 ] [ 13 ]}

Prismas , espejos y lentes tienen una larga historia alterando la luz visible difractada que nos rodea. Sin embargo, el control que ofrecen estos materiales comunes es limitado. Además, el único material común entre estos tres tipos de directores de luz es el vidrio convencional . Por lo tanto, estas tecnologías familiares están limitadas por las leyes físicas fundamentales de la óptica . Con los metamateriales en general, y la tecnología de camuflaje en particular, parece que estas barreras se desintegran gracias a avances en materiales y tecnologías nunca antes vistos en las ciencias físicas naturales . Estos materiales únicos se han vuelto notables porque la radiación electromagnética puede curvarse, reflejarse o desviarse de formas novedosas. La luz radiada incluso podría ralentizarse o capturarse antes de su transmisión. En otras palabras, se están desarrollando nuevas formas de enfocar y proyectar la luz y otras radiaciones. Además, las capacidades ópticas ampliadas que presenta la ciencia del camuflaje de objetos parecen ser tecnológicamente beneficiosas para una amplia gama de dispositivos ya en uso. Esto significa que cualquier dispositivo con funciones básicas que dependan de la interacción con el espectro electromagnético radiado podría avanzar tecnológicamente. Con estos primeros pasos se ha establecido una clase completamente nueva de óptica. ^{[ 16 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}

El interés por las propiedades de la óptica y la luz se remonta a casi 2000 años atrás, a Ptolomeo (85-165 d. C.). En su obra titulada Óptica , escribe sobre las propiedades de la luz , incluyendo la reflexión , la refracción y el color . Desarrolló una ecuación simplificada para la refracción sin funciones trigonométricas . Unos 800 años después, en el año 984 d. C., Ibn Sahl descubrió una ley de refracción matemáticamente equivalente a la ley de Snell . Le siguió el científico islámico más notable, Ibn Al-Haytham (c. 965-1039), considerado "una de las figuras más destacadas en óptica de todos los tiempos". ^{[ 23 ]} Realizó avances significativos en la física en general y en la óptica en particular. Anticipó las leyes universales de la luz formuladas por los científicos del siglo XVII por cientos de años. ^{[ 16 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}

En el siglo XVII, tanto a Willebrord Snellius como a Descartes se les atribuyó el descubrimiento de la ley de refracción. Fue Snellius quien observó que la ecuación de Ptolomeo para la refracción era inexacta. En consecuencia, estas leyes se han transmitido sin cambios durante unos 400 años, al igual que las leyes de la gravedad. ^{[ 16 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}

La radiación electromagnética y la materia tienen una relación simbiótica. La radiación no actúa simplemente sobre un material, ni es simplemente tratada por un material dado. La radiación interactúa con la materia . Las aplicaciones de camuflaje que emplean metamateriales alteran la forma en que los objetos interactúan con el espectro electromagnético . La visión que guía el camuflaje de metamaterial es un dispositivo que dirige el flujo de luz suavemente alrededor de un objeto, como el agua que fluye junto a una roca en un arroyo, sin reflexión , haciendo que el objeto sea invisible. En realidad, los dispositivos de camuflaje simples actuales son imperfectos y tienen limitaciones. ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]} Un desafío hasta la fecha ha sido la incapacidad de los metamateriales y los dispositivos de camuflaje para interactuar en frecuencias , o longitudes de onda , dentro del espectro de luz visible. ^{[ 3 ] [ 29 ] [ 30 ]}

El principio de ocultación, mediante un dispositivo de invisibilidad, se demostró por primera vez en frecuencias de la banda de radiación de microondas el 19 de octubre de 2006. Esta demostración utilizó un pequeño dispositivo de invisibilidad. Su altura era inferior a media pulgada (< 13  mm) y su diámetro de cinco pulgadas (125  mm), y desvió con éxito las microondas a su alrededor. El objeto que se quería ocultar, un pequeño cilindro, se colocó en el centro del dispositivo. La capa de invisibilidad desvió los haces de microondas de manera que fluyeran alrededor del cilindro en su interior con una distorsión mínima, haciendo que pareciera casi como si no hubiera nada allí.

Este tipo de dispositivo generalmente consiste en rodear el objeto a ocultar con una capa que afecta el paso de la luz cerca de él. Se observó una menor reflexión de las ondas electromagnéticas (microondas) del objeto. A diferencia de un material natural homogéneo con propiedades uniformes en todas partes, las propiedades del material de la capa varían de un punto a otro, estando cada punto diseñado para interacciones electromagnéticas específicas (inhomogeneidad), y son diferentes en distintas direcciones (anisotropía). Esto genera un gradiente en las propiedades del material. El informe correspondiente se publicó en la revista Science . ^{[ 3 ] [ 19 ] [ 30 ] [ 31 ]}

Aunque se trató de una demostración exitosa, se pueden observar tres limitaciones importantes. Primero, dado que su efectividad se limitaba al espectro de microondas, el objeto pequeño resultaba invisible únicamente a frecuencias de microondas. Esto significa que no se había logrado la invisibilidad para el ojo humano , que solo percibe dentro del espectro visible . Esto se debe a que las longitudes de onda del espectro visible son notablemente más cortas que las de las microondas. Sin embargo, esto se consideró el primer paso hacia un dispositivo de camuflaje para luz visible, aunque se necesitarían técnicas más avanzadas relacionadas con la nanotecnología debido a las cortas longitudes de onda de la luz. Segundo, solo los objetos pequeños pueden hacerse pasar por aire. En el caso de la demostración de camuflaje de 2006, el objeto oculto, un cilindro de cobre , tendría que tener menos de cinco pulgadas de diámetro y menos de media pulgada de altura. Tercero, el camuflaje solo puede ocurrir en una banda de frecuencia estrecha, para cualquier demostración dada. Esto significa que, por el momento, no se dispone de un dispositivo de camuflaje de banda ancha que funcione en todo el espectro electromagnético , desde radiofrecuencias hasta microondas, pasando por el espectro visible y los rayos X. Esto se debe a la naturaleza dispersiva de los metamateriales actuales. La transformación de coordenadas ( óptica de transformación ) requiere parámetros de material extraordinarios que solo se pueden alcanzar mediante el uso de elementos resonantes , los cuales son inherentemente de banda estrecha y dispersivos en resonancia. ^{[ 1 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 19 ] [ 30 ]}

La explotación de la luz, el espectro electromagnético , se realiza con objetos y materiales comunes que controlan y dirigen los campos electromagnéticos . Por ejemplo, una lente de vidrio en una cámara se utiliza para producir una imagen, una jaula metálica puede usarse para proteger equipos sensibles y las antenas de radio están diseñadas para transmitir y recibir emisiones diarias de FM . Los materiales homogéneos , que manipulan o modulan la radiación electromagnética , como las lentes de vidrio, tienen limitaciones en cuanto al límite superior de refinamiento para corregir las aberraciones. Las combinaciones de materiales de lentes no homogéneos pueden emplear índices de refracción graduales , pero los rangos tienden a ser limitados. ^{[ 2 ]}

Los metamateriales se introdujeron hace aproximadamente una década y amplían el control de partes del espectro electromagnético , desde microondas hasta terahercios e infrarrojos . Teóricamente, los metamateriales, como medio de transmisión , eventualmente extenderán el control y la dirección de los campos electromagnéticos al espectro visible . Por lo tanto, en 2006 se introdujo una estrategia de diseño para demostrar que un metamaterial puede diseñarse con valores positivos o negativos de permitividad y permeabilidad asignados arbitrariamente , los cuales también pueden variarse independientemente a voluntad. De esta manera, se hace posible el control directo de los campos electromagnéticos, lo cual es relevante para el diseño de lentes novedosas e inusuales, así como un componente de la teoría científica para el camuflaje de objetos contra la detección electromagnética. ^{[ 2 ]}

Cada componente responde de forma independiente a una onda electromagnética radiada a medida que viaja a través del material, lo que resulta en una inhomogeneidad electromagnética para cada componente. Cada componente tiene su propia respuesta a los campos eléctricos y magnéticos externos de la fuente radiada . Dado que estos componentes son más pequeños que la longitud de onda radiada , se entiende que una visión macroscópica incluye un valor efectivo tanto para la permitividad como para la permeabilidad. Estos materiales obedecen las leyes de la física , pero se comportan de manera diferente a los materiales normales. Los metamateriales son materiales artificiales diseñados para proporcionar propiedades que "pueden no estar fácilmente disponibles en la naturaleza". Estos materiales generalmente obtienen sus propiedades de la estructura más que de la composición, utilizando la inclusión de pequeñas inhomogeneidades para generar un comportamiento macroscópico efectivo .

Las unidades estructurales de los metamateriales pueden diseñarse a medida en forma y tamaño. Su composición, así como su forma o estructura, pueden ajustarse con precisión. Se pueden diseñar inclusiones y colocarlas en las ubicaciones deseadas para variar la función de un material determinado. Dado que la red es constante, las celdas son más pequeñas que la luz emitida. ^{[ 7 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]}

La estrategia de diseño se basa en metamateriales compuestos no homogéneos que dirigen, a voluntad, cantidades conservadas del electromagnetismo . Estas cantidades son, específicamente, el campo de desplazamiento eléctrico D , la intensidad del campo magnético B y el vector de Poynting S. Teóricamente, en lo que respecta a las cantidades o campos conservados, el metamaterial presenta una doble capacidad. Primero, los campos pueden concentrarse en una dirección determinada. Segundo, pueden evitar o rodear objetos, regresando sin perturbación a su trayectoria original. Estos resultados son consistentes con las ecuaciones de Maxwell y van más allá de la mera aproximación de rayos que se encuentra en la óptica geométrica . En consecuencia, en principio, estos efectos pueden abarcar todas las formas de fenómenos de radiación electromagnética en todas las escalas de longitud. ^{[ 2 ] [ 10 ] [ 35 ]}

La estrategia de diseño hipotética comienza con la elección intencional de una configuración de un número arbitrario de fuentes integradas. Estas fuentes se convierten en respuestas localizadas de permitividad , ε, y permeabilidad magnética , μ. Las fuentes están integradas en un medio de transmisión seleccionado arbitrariamente con características dieléctricas y magnéticas . Como sistema electromagnético, el medio puede representarse esquemáticamente como una cuadrícula. ^{[ 2 ]}

El primer requisito podría ser mover un campo eléctrico uniforme a través del espacio, pero en una dirección definida, evitando cualquier objeto u obstáculo. A continuación, se retira el sistema y se introduce en un medio elástico que puede deformarse, retorcerse, estirarse o deformarse según se desee. La condición inicial de los campos se registra en una malla cartesiana. A medida que el medio elástico se deforma en una o varias de las posibilidades descritas, la malla cartesiana registra el mismo proceso de estiramiento y deformación. Ahora se puede registrar el mismo conjunto de deformaciones, que se producen como una transformación de coordenadas :

a (x,y,z), b (x,y,z), c (x,y,z), d (x,y,z) ....

Por lo tanto, la permitividad, ε, y la permeabilidad, μ, se calibran proporcionalmente mediante un factor común. Esto implica que, con menor precisión, ocurre lo mismo con el índice de refracción . Los valores renormalizados de permitividad y permeabilidad se aplican en el nuevo sistema de coordenadas. Para las ecuaciones de renormalización, véase la referencia ^{[ 2 ] .}

El objetivo, entonces, es crear una diferencia imperceptible entre un volumen de espacio oculto y la propagación de ondas electromagnéticas a través del espacio vacío. Parecería que lograr un orificio perfectamente oculto (100%), donde se pudiera colocar un objeto y ocultarlo a la vista, no es probable. El problema es el siguiente: para transportar imágenes, la luz se propaga en un rango continuo de direcciones. Los datos de dispersión de las ondas electromagnéticas, después de rebotar en un objeto o orificio, son únicos en comparación con la luz que se propaga a través del espacio vacío y, por lo tanto, se perciben fácilmente. La luz que se propaga a través del espacio vacío es consistente únicamente con el espacio vacío. Esto incluye las frecuencias de microondas. ^{[ 10 ]}

Aunque el razonamiento matemático demuestra que la ocultación perfecta no es probable debido a la naturaleza ondulatoria de la luz, este problema no se aplica a los rayos electromagnéticos, es decir, al ámbito de la óptica geométrica . Las imperfecciones pueden ser arbitrarias y exponencialmente pequeñas para objetos mucho mayores que la longitud de onda de la luz. ^{[ 10 ]}

Matemáticamente, esto implica n < 1, porque los rayos siguen el camino más corto y, por lo tanto, en teoría, crean un camuflaje perfecto. En la práctica, se produce una cierta cantidad de visibilidad aceptable, como se indicó anteriormente. El rango del índice de refracción del dieléctrico (material óptico) debe abarcar un amplio espectro para lograr el camuflaje, con la ilusión creada por la propagación de ondas a través del espacio vacío. Estos lugares donde n < 1 serían el camino más corto para el rayo alrededor del objeto sin distorsión de fase. La propagación artificial del espacio vacío podría alcanzarse en el rango de microondas a terahercios . En la tecnología furtiva , la adaptación de impedancia podría resultar en la absorción de ondas electromagnéticas dirigidas en lugar de la reflexión, por lo tanto, la evasión de la detección por radar . Estos principios generales también pueden aplicarse a las ondas sonoras , donde el índice n describe la relación entre la velocidad de fase local de la onda y el valor global. Por lo tanto, sería útil proteger un espacio de cualquier detección proveniente de fuentes sonoras. Esto también implica protección contra el sonar. Además, estos principios generales son aplicables en diversos campos como la electrostática , la mecánica de fluidos , la mecánica clásica y el caos cuántico . ^{[ 10 ]}

Matemáticamente, se puede demostrar que la propagación de la onda es indistinguible del espacio vacío, donde los rayos de luz se propagan en línea recta. El medio realiza un mapeo óptico conforme al espacio vacío. ^{[ 10 ]}

El siguiente paso, entonces, es ocultar un objeto controlando los campos electromagnéticos. Ahora, la capacidad demostrada y teórica para controlar los campos electromagnéticos ha abierto un nuevo campo: la óptica de transformación . Esta nomenclatura deriva de las transformaciones de coordenadas utilizadas para crear trayectorias variables para la propagación de la luz a través de un material. Esta demostración se basa en prescripciones teóricas previas, junto con la realización del experimento del prisma. Una posible aplicación de la óptica y los materiales de transformación es el camuflaje electromagnético con el fin de hacer que un volumen u objeto sea indetectable a la radiación incidente, incluyendo la detección por radiación. ^{[ 3 ] [ 36 ] [ 37 ]}

Esta demostración, por primera vez, de cómo ocultar un objeto con campos electromagnéticos, utiliza el método de variación espacial diseñada específicamente. Este es un efecto de la incorporación de fuentes electromagnéticas diseñadas específicamente en el metamaterial. ^{[ 38 ]}

Como se mencionó anteriormente, los campos producidos por el metamaterial se comprimen en una capa (transformaciones de coordenadas) que rodea el volumen ahora oculto. Anteriormente, esto era una teoría respaldada; este experimento demostró que el efecto realmente ocurre. Las ecuaciones de Maxwell son escalares al aplicar coordenadas transformacionales; solo se ven afectados el tensor de permitividad y el tensor de permeabilidad, que luego se vuelven espacialmente variables y direccionalmente dependientes a lo largo de diferentes ejes. Los investigadores afirman :

Al implementar estas complejas propiedades del material, el volumen oculto más la capa parecen tener las propiedades del espacio libre cuando se ven externamente. Por lo tanto, la capa no dispersa ondas ni proyecta una sombra, lo que permitiría detectarla. Otros enfoques de invisibilidad se basan en la reducción de la retrodispersión o utilizan una resonancia en la que las propiedades del objeto oculto y la capa deben coincidir cuidadosamente. ...Los avances en el desarrollo de [metamateriales de índice negativo], especialmente con respecto a las lentes de índice de gradiente, han hecho factible la realización física de las propiedades complejas del material especificadas. Implementamos una capa bidimensional (2D) porque sus requisitos de fabricación y medición eran más simples que los de una capa 3D. ^{[ 3 ]}

Antes de la demostración propiamente dicha, se determinaron computacionalmente los límites experimentales de los campos de transformación, además de mediante simulaciones, ya que ambos métodos se utilizaron para determinar la efectividad de la capa de invisibilidad. ^{[ 3 ]}

Un mes antes de esta demostración, en septiembre de 2006 se publicaron los resultados de un experimento para mapear espacialmente los campos electromagnéticos internos y externos de un metamaterial de índice de refracción negativo. ^{[ 38 ]} Esto fue innovador porque, hasta entonces, los campos de microondas se medían solo externamente. ^{[ 38 ]} En este experimento de septiembre se midieron la permitividad y la permeabilidad de las microestructuras (en lugar de la macroestructura externa) de las muestras de metamaterial, así como la dispersión de los metamateriales bidimensionales de índice negativo. ^{[ 38 ]} Esto proporcionó un índice de refracción efectivo promedio, lo que implica asumir un metamaterial homogéneo. ^{[ 38 ]}

Empleando esta técnica para este experimento, se realizó un mapeo espacial de las fases y amplitudes de las radiaciones de microondas que interactúan con muestras de metamaterial. El rendimiento de la capa se confirmó comparando los mapas de campo medidos con simulaciones. ^{[ 3 ]}

Para esta demostración, el objeto oculto era un cilindro conductor situado en el radio interior de la capa. Al ser el objeto de mayor tamaño posible diseñado para este volumen de espacio, posee las propiedades de dispersión más importantes. El cilindro conductor quedó efectivamente oculto en dos dimensiones. ^{[ 3 ]}

En la literatura sobre metamateriales, la definición de frecuencia óptica abarca desde el infrarrojo lejano hasta el infrarrojo cercano, pasando por el espectro visible, e incluye al menos una porción del ultravioleta. Hasta la fecha, cuando la literatura se refiere a frecuencias ópticas, casi siempre se trata de frecuencias en el infrarrojo, que se encuentra por debajo del espectro visible. En 2009, un grupo de investigadores anunció el uso de técnicas de invisibilidad en frecuencias ópticas. En este caso, la frecuencia de invisibilidad se centró en 1500  nm o 1,5 micrómetros, es decir, en el infrarrojo. ^{[ 39 ] [ 40 ]}

En enero de 2011 se presentó un dispositivo de metamateriales de laboratorio, aplicable a ondas ultrasónicas. Puede utilizarse con longitudes de onda sonoras correspondientes a frecuencias de entre 40 y 80  kHz.

La capa acústica de metamaterial está diseñada para ocultar objetos sumergidos en agua. El mecanismo de camuflaje de metamaterial desvía y retuerce las ondas sonoras mediante un diseño intencional.

El mecanismo de camuflaje consta de 16 anillos concéntricos dispuestos en una configuración cilíndrica. Cada anillo cuenta con circuitos acústicos. Está diseñado específicamente para guiar las ondas sonoras en dos dimensiones.

Cada anillo tiene un índice de refracción diferente . Esto provoca que las ondas sonoras varíen su velocidad de un anillo a otro. "Las ondas sonoras se propagan alrededor del anillo exterior, guiadas por los canales de los circuitos, que las desvían para envolverlas alrededor de las capas exteriores de la capa". Esta forma una matriz de cavidades que ralentizan la velocidad de las ondas sonoras que se propagan. Un cilindro experimental fue sumergido y luego desapareció del sonar . Otros objetos de diversas formas y densidades también fueron ocultados al sonar. La capa acústica demostró su eficacia para frecuencias de 40  kHz a 80  kHz. ^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]}

En 2014, investigadores crearon una capa acústica 3D a partir de láminas de plástico apiladas con patrones repetitivos de agujeros. La geometría piramidal de la pila y la disposición de los agujeros proporcionan el efecto. ^{[ 45 ]}

En 2014, los científicos demostraron un buen rendimiento de camuflaje en aguas turbias, demostrando que un objeto envuelto en niebla puede desaparecer por completo al recubrirlo adecuadamente con metamaterial. Esto se debe a la dispersión aleatoria de la luz, como la que ocurre en nubes, niebla, leche, vidrio esmerilado, etc., combinada con las propiedades del recubrimiento de metamaterial. Cuando la luz se difunde, una fina capa de metamaterial alrededor de un objeto puede hacerlo prácticamente invisible bajo diversas condiciones de iluminación. ^{[ 46 ] [ 47 ]}

Si se aplica una transformación a coordenadas cuasi- ortogonales a las ecuaciones de Maxwell para ocultar una perturbación en un plano conductor plano en lugar de un punto singular, como en la primera demostración de una capa basada en óptica de transformación, entonces se puede ocultar un objeto debajo de la perturbación. ^{[ 48 ]} A esto a veces se le denomina capa de "alfombra".

Como se mencionó anteriormente, la capa original demostrada utilizaba elementos de metamaterial resonantes para cumplir con las restricciones efectivas del material. En este caso, la utilización de una transformación cuasiconforme, en lugar de la transformación no conforme original, modificó las propiedades del material requeridas. A diferencia de la capa original (de expansión singular), la capa tipo "alfombra" requería valores de material menos extremos. La capa tipo alfombra cuasiconforme requería materiales anisotrópicos e inhomogéneos que solo variaban en permitividad . Además, la permitividad siempre era positiva. Esto permitió el uso de elementos de metamaterial no resonantes para crear la capa, aumentando significativamente el ancho de banda.

Se utilizó un proceso automatizado, guiado por un conjunto de algoritmos , para construir un metamaterial compuesto por miles de elementos, cada uno con su propia geometría . El desarrollo del algoritmo permitió automatizar el proceso de fabricación , lo que resultó en la fabricación del metamaterial en nueve días. El dispositivo anterior utilizado en 2006 era rudimentario en comparación, y el proceso de fabricación requirió cuatro meses para crear el dispositivo. ^{[ 4 ]} Estas diferencias se deben en gran medida a la distinta forma de transformación: la capa original de 2006 transformó un punto singular, mientras que la versión del plano del suelo transforma un plano, y la transformación en la capa de alfombra fue cuasiconforme, en lugar de no conforme.