Ya existen materiales para hacer invisible un objeto, pero su fabricación tiene un coste elevadísimo

Pregunta.- ¿Cómo se consigue hacer una ‘capa de invisibilidad’, un material que haga invisible lo que recubre?

Respuesta.- Cuando quieres hacer algo invisible, el reto es cómo eliminar la sombra. Yo utilizo la analogía de una roca y una corriente de agua. Cuando el agua fluye alrededor de una roca en una corriente, fluye suavemente alrededor de ella; aguas abajo no se puede ver que la roca está allí porque el agua continua fluyendo suavemente. Ahora bien, la luz no fluye como el agua, pero quieres lograr que lo haga, para que no haya ninguna sombra aguas abajo del objeto y, por lo tanto, el objeto, visto río abajo, es invisible.Y ese es el desafío para los materiales. Y los nuevos materiales que se usan se llaman metamateriales. Tienen propiedades de tal forma que envuelves una capa hecha de estos metamateriales alrededor del objeto que deseas ocultar; es una capa bastante gruesa, no es delgada, y gradúas las propiedades del material para que capture la luz. La guía alrededor del objeto y luego la suelta al otro lado, como si hubiera pasado directamente a través del objeto. Es parecido a un esquiador esquivando un árbol y continuando en línea recta, pero has trazado una chicane, has evitado el árbol, has hecho que el árbol sea invisible para el esquiador.

P.- ¿Estamos cerca de tener un material que haga invisible lo que recubre, y que funcione con el tipo de luz que detecta el ojo humano?

R.- Esto ya se ha llevado a cabo en dos ocasiones, una vez en Berkeley a una escala muy microscópica, de milésimas de metro, y también a una escala mayor, por un grupo en Birmingham que utilizó materiales, pero no metamateriales, sino materiales de la naturaleza que por casualidad tenían las propiedades correctas para ese caso en particular, y esas capas hechas en Birmingham tienen aproximadamente 10 centímetros de diámetro y ocultan objetos de tamaño similar. Por lo tanto, se ha llevado a cabo para luz visible.

P.- ¿Existe un límite en cuanto al tamaño de los objetos que se pueden ocultar?

R.- Como teórico, puedo decir: “Oh sí, eso es fácil, lo que tienes que hacer es encontrar un investigador que esté dispuesto a llevarlo a cabo”. En luz de microondas no hay más límite que el dinero que uno está dispuesto a gastar, así que si quiere ocultar algo a un radar… se puede ocultar fácilmente algo del tamaño de un tanque: ese no es el problema. Con respecto a capas ópticas, la fabricación de los materiales es un proceso carísimo. Por lo tanto el coste elevadísimo no te permitiría cubrir algo mucho más grande que unos pocos centímetros.

P.- Además de las aplicaciones militares, que parecen obvias, ¿qué otros usos tiene un material que haga invisible lo que recubre?

R.- Estoy seguro de que los militares están pensando en estas aplicaciones y pueden hacerlo si desean. Yo estoy más interesado en las aplicaciones comerciales porque creo que serán mucho más diversas y darán a conocer más eficazmente estos nuevos materiales. El desafío que se ha planteado es que la mayoría de los investigadores intentan hacer algo que no es tan complicado como fabricar una capa, eso es algo bastante complejo, así que primero se harán las cosas más sencillas y lo que estamos haciendo con los nuevos materiales es reemplazar dispositivos existentes con dispositivos que pueden fabricarse con estos metamateriales y de forma más económica y efectiva.

P.- ¿Como cuáles?

R.- Pues como el receptor de comunicaciones por satélite. Es posible que esté familiarizada con esas antenas de unos 30 cm de diámetro que a veces llevan consigo los reporteros cuando están en lugares remotos para poder usar sus teléfonos comunicándose con un satélite. Estas antenas parabólicas son bastante grandes y pesadas. Tienen que ser orientables porque tiene que rastrear los satélites y eso requiere energía eléctrica – mucha energía. Si se reemplazan esas antenas con metamateriales, entonces se convierten en dispositivos estáticos. Son bastante ligeros y de hecho creo que son más baratos que las antenas parabólicas y consumen muy poca energía, ya que no tienen que mover ninguna pieza mecánica, por lo que puedes enchufarlas al puerto usb de tu ordenador portátil. La compañía que los está fabricando se llama Kymeta y creo que su capitalización ahora es de aproximadamente mil millones de dólares, por lo tanto están progresando en el mercado.

P.- Otro trabajo suyo de gran impacto es la predicción de que es posible construir una lente perfecta. ¿Qué es una lente perfecta y cual es el estado de su investigación?

R.- Bueno, creo que lo primero que hay que decir es lo que no es una lente perfecta. Hace mucho tiempo, un hombre llamado Abbe introdujo algo llamado el límite de Abbe, el límite de resolución que se puede alcanzar al ver un objeto pequeño con luz y utilizando lentes comunes. Y su regla fue que no se puede ver nada mucho más pequeño que la mitad de la longitud de onda de la luz, que es aproximadamente la mitad de una micra. Si se utilizan longitudes de onda más cortas, entonces se pueden ver cosas más pequeñas, pero hay un límite porque si utilizas longitudes de onda demasiado cortas no encontrarás lentes para enfocarlas. Por lo tanto estamos atrapados con la tecnología convencional con respecto al tamaño mínimo que podemos ver. Y este es un problema serio porque la era moderna está muy relacionada con la nanotecnología, particularmente en la biología donde quizás por ejemplo, uno quiere mirar dentro de una célula humana, y el contenido de esa estructura celular está a escala nanométrica y no micro y los microscopios convencionales no te pueden servir de ayuda, a menos que tengas algunas de estas técnicas muy inteligentes que personas como Stefan Hell ayudaron a desarrollar. Por eso las lentes no son perfectas porque tienen un límite, pero no es un límite absoluto de la física, es un límite en la forma que se diseña la lente. Hace 50 años, el científico ruso llamado Veselago sugirió que considerásemos algunos materiales muy extraños, aunque ellos no tenían ninguno de estos materiales, pero dijo: “¿y si los tuviésemos?”, un material con una propiedad llamada índice de refracción negativo. El índice de refracción mide la fuerza que una material puede curvar la luz y si se hace negativo, sucede algo muy extraño – y él expuso todas estas cosas, y una de las cosas que dijo fue que puedes usar este material para enfoca la luz de una manera muy extraña. La mayoría de las lentes que todos conocemos, son curvas, eso es lo que significa lente, lenticular, significa que es curvada. Su lente no era curva, era plana y aún podía enfocar la luz usando esta propiedad de refracción negativa. Y todo eso estaba muy bien, excepto que nadie conocía ningún material con un índice de refracción negativo y ahí es donde nuestros nuevos materiales entraron en la historia porque podrían usarse para hacer un nuevo material con un índice de refracción negativo. La lente fue construida pero luego hice la pregunta, bueno, ¿sufre del límite de Abbe? Un día me senté e hice el cálculo teórico, que no fue difícil, era solo que nadie lo había realizado antes, y me pregunté cómo se resuelve esta lente, y la respuesta fue que no había límite.

P.- ¿Significa que teóricamente uno podría ver con esa lente un objeto tan pequeño como quisiera?

R.- Sí.

P.- ¿Como un virus?

R.- Teóricamente, sí… La condición es que se construya a la perfección ¡y ahí está el problema! Pero se llegó a esa conclusión debido a esta ley muy conocida de Abbe. Fue extremadamente controvertida y fue peleada duramente por algunas personas que simplemente no aceptaban que el resultado fuera cierto. Pero esa batalla finalmente se ganó y creo que el resultado es más firme porque, podemos decir, que ha tenido una prueba de fuego con personas que arrojaron todos los argumentos posibles y estos argumentos fueron contestados uno por uno, y la teoría es correcta. La dificultad está en fabricarla, porque estos materiales no son fáciles de producir, pero sí que se han fabricado y han demostrado que se puede producir un lente que obviamente no es perfecta, porque los materiales no son perfectos, pero sí es mucho mejor que una lente ordinaria, creo que mejora una resolución ordinaria por un factor de 10. Y primero, usando una lente de microondas y ahora también usan lentes ópticas.

P.- ¿Puede darme un ejemplo de qué tipo de objetos podemos ver usando ese tipo de lentes?

R.- Bueno, lo que se está haciendo en estos momentos, no es tratar de hacer un microscopio… la gente está tratando de hacerlo, pero aún no lo han llevado a cabo. Lo que están tratando de hacer es un desafío más simple, que es enfocar la luz a un punto muy fino. ¿Y por qué querrías hacer eso? Bueno, para algunos experimentos necesitas que los fotones estén muy muy concentrados, de lo contrario no tienen ningún efecto. Por ejemplo, si quieres que los fotones choquen entre sí, tienes que ponerlos muy juntos, aunque no se vean entre sí. Y esto se puede llevar a cabo, pero si utilizamos ideas convencionales en primer lugar se necesitaría de un láser muy poderoso para producir un haz muy fuerte, y luego se tiene que enfocar al igual que lo haría una lente normal, y como sería enfocar a una tamaño del orden de un micrómetro cuadrado o similar, eso necesitaría de un láser muy potente… y eso sería un experimento muy costoso. Ahora, imagina que pudieses tomar un haz de luz y en lugar de enfocarlo hacia una micra cuadrada, la enfocas en un nanómetro cuadrado; eso es mil veces más largo y es un área un millón de veces más grande, por lo que solo necesitarías una millonésima parte de la potencia para el peor enfoque, si pudiera enfocarse tan bien, podrías tener una densidad mucho mayor. Así que todo se escala en un factor de un millón, y puedes obtener estas densidades de fotones muy altas para hacer todo tipo de cosas, como por ejemplo hacer que los fotones hablen entre sí, detectando moléculas individuales, etc., y de manera mucho más barata y eficaz y ahora se puede hacer eso, se han logrado, y ese es el enfoque de mi investigación actual y de lo que hablaré en mi conferencia: cómo podemos diseñar estructuras, metamateriales que capturen la luz y reducirlas hacia la nanoescala.

P.- Su trabajo sobre lentes perfectas fue muy controvertido. ¿Por qué costó tanto que sus colegas lo aceptaran?

R.- Por varias razones. Primero, si una regla ha existido durante mucho tiempo y ha resistido la prueba del tiempo porque nadie ha roto esa regla en los cientos de años que ha existido, entonces existe un prejuicio natural y la gente dice: “¿Quién es este tipo loco”? Yo ni siquiera estaba trabajando en el campo de la óptica en ese momento – yo traje mis habilidades de otro campo y precisamente esa fue mi fuerza porque no tenía ninguna idea rígida establecida, de que esta ley tiene que ser veraz. Y lo segundo fue que las matemáticas, aunque no eran complicadas, provenían de otro campo: estaba familiarizada con la física de electrones, la teoría de dispersión múltiple, etc., pero no era ampliamente conocida en el comunidad de la óptica, por lo que algunas personas pensaron que eran unas matemáticas extrañas, que debía haber algo mal con ellas, y es cierto, había algunas sutilezas que tal vez no eran del todo obvias. Y, a veces, se pueden tener resultados en matemáticas y parecen bastante fáciles de comprender, pero luego cuando empiezas a profundizar en ellas, y encuentras que existe alguna singularidad que no funciona, y eso también echa para atrás a la gente.

P.-¿Diría que este es un problema de la ciencia actual, que falta creatividad, o que los científicos son muy conservadores respecto al saber aceptado?

R.- No, no lo creo. Yo soy una persona muy conservadora y estoy totalmente a favor del conservadurismo. La ventaja del conservadurismo es que existe un sin fin de ideas alocadas que pululan por ahí y el secreto es elegir qué idea alocada vas a seguir y cuál será productiva, por lo que debe existir cierto conservadurismo, rechazando de entrada algunas ideas porque tu intuición te dice que si voy por ese camino, voy a terminar en un agujero profundo. Esa es la forma en que procedemos. No puedes considerar cada idea extraña y analizarla con gran detalle porque desperdiciarías tu vida en cálculos inútiles. Así que tanto la intuición como el conservadurismo son útiles para la ciencia. Por supuesto, hay que ser imaginativo e innovador, pero hay que mantenerlo bajo control.

P.- Con los metamateriales y la lente perfecta usted ha revolucionado un área. ¿Qué más cree que podría suceder en los próximos 10 o 20 años que podría perturbar las cosas?

R.- Pues, una vez más, creo que es una cuestión de intuición. Cuando tienes una idea, tienes que decidir si esa idea es meramente interesante o si es probable que vaya a ser profunda y no existe una regla fija para eso aparte de la experiencia, y lo que quiero decir por una idea profunda, es una idea que te llevará a otras cosas y que proporcionará un estímulo para que otras personas le agreguen ideas y la elaboren y hagan cosas nuevas. Y creo que en este campo de los metamateriales que ha producido tantos materiales que antes no teníamos proporciona muchas oportunidades para que los jóvenes innoven. Cuando una nueva idea entra en el ruedo de la ciencia, para que sea adoptada en la ingeniería, realmente se necesita que mueran los viejos ingenieros y que participen los jóvenes. Esa es una conclusión cruel. Pero es verdad.