Para entender o que são esses fantásticos materiais, voltemos no tempo, até aproximadamente 40 anos atrás quando o cientista V. G. Veselago trabalhava no estudo das propriedades de substâncias com simetria de mão-esquerda.
Sabemos que existem substâncias que possuem a mesma fórmula química, mas estruturalmente são diferentes, da mesma forma que a mão direita é diferente da mão esquerda.
Essas substâncias, por esse motivo apresentam propriedades ópticas diferentes, através das quais podem ser detectadas.
Na figura 1 temos duas moléculas com a mesma fórmula mas diferentes na disposição espacial, como se fossem objeto e a imagem refletida num espelho.
Nesses estudos o pesquisador concluiu que seria possível obter substâncias com índice de refração negativo.
Quando um raio de luz passa de um meio de certa densidade para outro de densidade diferente, ele sofre um desvio que é dado pelo índice de refração existente entre os dois meios, conforme mostra a figura 2.
O índice de refração é dado pela relação entre o seno do ângulo de incidência e o seno do ângulo de refração, sendo sempre um número positivo. Segundo o pesquisador Veselago, se o material apresentar valores negativos tanto para permeabilidade elétrica quanto para a permeabilidade magnética, o índice de refração será negativo e se desviará, com uma trajetória conforme mostra a figura 3.
Na prática é difícil imaginar o que ocorre se não utilizarmos um experimento bastante conhecido dos estudantes de óptica do nível médio.
Quando enfiamos um lápis num copo com água ele parece “ quebrado” devido ao índice de refração da água maior do que o do ar. No entanto, se imaginarmos uma substância que tenha um índice negativo de refração, os efeitos serão estranhos.
A figura 4 mostra o que ocorre nesse caso, o que aparentemente seria uma contradição para as leis da física, especificamente a lei de Snell, mas isso não ocorre se fizermos um exame profundo do fenômeno.
O que ocorre é que na prática as substâncias comuns apresenta uma resposta magnética muito baixa às frequências ópticas, o que significa que suas propriedades são determinadas basicamente pela permissividade elétrica. Isso fez com que o trabalho de Veselago fosse apenas citado como uma curiosidade acadêmica.
As coisas começaram a mudar, entretanto, com o trabalho do Prof. J. B. Pendry que propunha a utilização de metamateriais para se obter uma permeabilidade magnética.
Materiais artificiais com constantes de rede cristalina muito menor do que o comprimento de onda da radiação luminosa que recebem foram criados.
Assim, a luz “vê” esses materiais como estruturas homogêneas.
No entanto, os átomos não são reais, mas estruturas artificiais que se comportam como ressonadores.
Com um projeto bem feito dessas estruturas é possível fazer com que elas se comportem como uma substância natural com propriedades tais como a permeabilidade magnética negativa.
Os metamateriais podem então ser usados em dispositivos fotônicos e plasmônicos de uma forma totalmente inédita.
O que fazer com materiais com índices de refração negativos
Em princípio pode parecer difícil para o profissional comum da eletrônica entender o que se pode fazer com um material que refrate a luz “ ao contrário” , como ocorre com os metamateriais.
No entanto, se conseguirmos criar nanoestruturas de metal que tenham essas características e elas forem dimensionadas para serem ressonantes a certas frequências já teremos aplicações práticas possíveis.
Uma ideia é o que se denomina de Split-Ring Resonator (SSR) que consistem em nanoestruturas que, pelo seu formato se comportam como osciladores LC (bobina+capacitor).
Um metamaterial seria formado por uma grande quantidade desses ressonadores que operariam na frequência da luz incidente.
Nessa frequência, devido à ressonância, a permeabilidade efetiva do dispositivo seria negativo e o conjunto apresentaria um índice de refração negativo.
Uma outra possibilidade que pode ser considerada como uma análoga consiste em se criar dipolos com fios muito curtos no material.
Esses dipolos ressonaria na frequência da luz incidente e o conjunto apresentaria um índice de refração negativo.
Pode-se combinar as duas tecnologias, de fios e SSRs e com isso obter materiais com índices negativos de refração.
Aplicações no Futuro
Um dos sonhos de muitos autores de ficção científica e mesmo de muitos leitores que pensam numa invenção milionária é a roupa que tornaria uma pessoa invisível.
Pois, bem com os metamateriais, que apresentam índices de refração negativos, esse sonho começa a tomar um aspecto que o torna altamente provável no futuro.
A ideia seria dotar a roupa de microcilíndros de metamateriais capazes de fazer a luz contornar o corpo e sair do outro lado, como se nada houvesse no percurso.
Isso o tornaria absolutamente transparente e portanto invisível. Um espelho magnético absoluto, ou seja, com índice de reflexão de 100% seria outra possibilidade já testada em laboratório.
Construído com nanoestrutura numa superfície metálica ele funciona invertendo o campo magnético de uma onda luminosa incidente, funcionando como um “supercondutor óptico”.
Ressonadores de BaTiO3 (óxido de titânio e bário) já foram usados como chaves eletrônica em linhas de transmissão, roteadores e filtros para microondas. Outra possibilidade, em estudos por diversos centros de pesquisas, consiste na construção de lentes quase perfeitas de modo barato e simples.
Essa microlentes poderiam focalizar muito melhor os feixes de Laser de DVDs possibilitando assim a leitura de pontos muito menores, com um notável aumento da capacidade de armazenamento.
Ver também:
• Nanotecnologia (876)
• Plasmônica (877)
• Permeabilidade magnética (835)
• Ressonância (256)
