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J. Represa, A. Grande, I. Barba y A. López

Metamateriales con índice de refracción negativo (...)

Metamateriales con índice de
refracción negativo: una nueva
frontera en Electromagnetismo
José Represa, Ana Grande, Ismael Barba y Ana López
Departamento de Electricidad y Electrónica. Universidad de Valladolid
Grupo de Electromagnetismo Computacional
Los metamateriales son una clase de mediosestructurados artificiales que
presentan propiedades electromagnéticas no encontradas en ningún medio
natural. Su comportamiento es una propiedad “emergente” de la estructura en
sí, más que de sus constituyentes elementales. El prefijo griego “meta” indica
su característica de ir “más allá” de lo conocido hasta el presente. Aunque no
hay un acuerdo general en qué tipo de materiales abarca el término,dada la
variedad de los mismos, nosotros nos centraremos en una clase conocida
como “materiales zurdos” (Left-Handed, LH), “doblemente negativos” (DNG) o,
simplemente, de “índice de refracción negativo” (NRI). En ellos es posible la
propagación de ondas electromagnéticas pero, a diferencia de los medios
ordinarios, aparecen fenómenos inusuales tales como ondas regresivas,
refracción negativa oefecto Doppler inverso. En el artículo presentaremos las
ideas básicas de la propagación y la estructura de tales medios, así como las
principales y más llamativas consecuencias.

1Introducción

En En 1968 Victor Veselago, un físico de la
antigua Unión Soviética, examinó la
posibilidad de propagación de ondas
electromagnéticas en un medio material
que tuviera, simultáneamente, permitividad
eléctricaε y permeabilidad magnética µ
negativas [1]. Aunque era consciente de
que tal tipo de medios no se había
encontrado en la naturaleza, se planteó la
posibilidad de realizarlos físicamente pues,
como ya era sabido, el comportamiento de
la permitividad y permeabilidad varía con la
frecuencia (fenómeno llamado dispersión)
pudiéndose alcanzar valores negativos en
algunos márgenes de frecuencia. Elinconveniente es que para ningún medio
natural conocido se tienen esos valores
negativos simultáneamente para ε y µ en
los mismos intervalos de frecuencia. Su
1

Revista de Ciencias, 1, 15-20. Marzo 2013

trabajo deduce, entre otros resultados, una
velocidad de fase negativa (de sentido
contrario a la propagación de la energía,
dado por el vector de Poynting, como exige
el principio de causalidad), uníndice de
refracción negativo y una impedancia de
onda positiva. De ahí derivan fenómenos
sorprendentes y nuevas posibilidades de
aplicación, unas “futuristas”, como las
capas de invisibilidad, otras que ya son
realidad en sistemas y circuitos de
microondas (por ejemplo, antenas en
teléfonos móviles).

Estructura de los metamateriales
Más de treinta años después, David Smith
y sus colaboradores dela Universidad de
California en San Diego, idearon una
estructura
periódica
formada
por
“resonadores de anillo partido” (Split-Ring
Resonators, SRR) y postes metálicos que
presentaban las características exigidas en
el trabajo de Veselago [2] (Figura 1). Para

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Metamateriales con índice de refracción negativo (...)

ello se basaron en trabajosanteriores de
Sir John Pendry, del Imperial College de
Londres, a propósito de estructuras
metálicas que tenían permitividades o
permeabilidades negativas en algún
intervalo de frecuencias [3, 4] (Figura 2).
En el fondo, la idea subyacente era imitar
a la propia naturaleza y la forma en que
“construye” su estructura macroscópica a
base de “celdas elementales” o moléculas,
para conseguirdeterminadas propiedades
(Figura 3).

Figura 3. Concepto de metamaterial y
“metapartícula”. Las metapartículas, cuyos
tamaños son del orden de la longitud de onda,
pueden contener elementos muy diversos que
dotan a la estructura de sus propiedades
macroscópicas: anillos, hilos e incluso
semiconductores.

Fundamentos
Figura 1. Estructura periódica, a base de SRRs
y postes metálicos, propuesta por Smith et...