Hasta Albert Einstein quedaría impresionado. Su Teoría de la Relatividad General, que describe cómo la gravedad de un objeto masivo, tal como una estrella, puede curvar el espacio y el tiempo, fue usada con éxito para predecir observaciones astronómicas como la curvatura de la luz estelar por el Sol, pequeños desplazamientos en la órbita de Mercurio, y el fenómeno conocido como lente gravitatoria. Ahora, nuevas investigaciones demuestran que muy pronto será posible estudiar los efectos de la relatividad general en la mesa de experimentos de un laboratorio

Xiang Zhang, un científico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de los Estados Unidos y profesor de la Universidad de California en Berkeley, lideró un estudio en el que se ha determinado que la interacción de luz y materia con el espacio-tiempo, como predice la relatividad, se puede estudiar usando nuevps de materiales ópticos artificiales, que tienen la extraordinaria característica de curvar la luz y otras formas de radiación electromagnética.

“Proponemos un vínculo entre el campo recientemente surgido de los materiales ópticos artificiales con el de la mecánica celeste, abriendo de esta forma una nueva posibilidad de investigar fenómenos astronómicos en una mesa de laboratorio”, dice Zhang. “Hemos introducido una nueva clase de medios ópticos especialmente diseñados que pueden imitar los movimientos periódicos, cuasi-periódicos y caóticos que observamos en los objetos celestes que han estado sujetos a complejos campos gravitatorios”.

Zhang, investigador principal de la División de Ciencias de los Materiales en el Laboratorio de Berkeley y director del Centro de Ciencia a Nanoescala e Ingeniería de la UC en Berkeley, ha sido uno de los pioneros en la creación de materiales ópticos artificiales. El año pasado, tanto él como su grupo de investigación aparecieron en las tapas de revistas al desarrollar unos metamateriales únicos —compuestos por metales y dieléctricos— que eran capaces de curvar la luz hacia atrás, una propiedad conocida como refracción negativa, que no tiene precedentes en la naturaleza. Más recientemente, él y su grupo desarrollaron una “capa de ocultamiento” con silicio nanoestructurado que ocultaba de la detección óptica los objetos colocados bajo ella. Estos esfuerzos no sólo sugirieron que están al alcance materiales verdaderamente invisibles, dijo Zhang, sino que también representó un gran paso adelante en una transformación óptica que podría “abrir la puerta a la manipulación de la luz a nuestra voluntad”.

Ahora, él y su grupo de investigación han demostrado que una nueva clase de metamateriales conocidos como “trampas de fotones con índice continuo” (continuous-index photon traps o CIPTs) se pueden usar como cavidades ópticas “perfectas”, libres de radiación en una ancha banda. Los CIPTs pueden controlar, frenar y atrapar la luz de una manera similar a aquellos fenómenos celestes tales como los agujeros negros y lentes gravitatorias. Esta equivalencia entre el movimiento de las estrellas en un espacio-tiempo curvo y la propagación de la luz en metamateriales ópticos producidos por ingeniería en un laboratorio se conoce como la “analogía óptico-mecánica”.

Zhang dice que estos metamateriales especialmente diseñados pueden ser de valor para estudiar el movimiento de cuerpos celestes masivos en campos gravitatorios bajo un entorno controlado de laboratorio. Las observaciones de estos fenómenos celestes por parte de los astrónomos son casi imprácticos debido a que a veces necesitan que transcurran tiempos a escala astronómica para que se produzca una interacción.

“Si curvamos nuestro espacio metamaterial óptico en nuevas coordenadas, la luz que viaja en línea recta en el espacio real se torcerá en el espacio curvado de nuestra ótica transformacional”, dice Zhang. “Esto es muy similar a lo que sucede con la luz estelar cuando se mueve por un campo gravitatorio y experimenta la curvatura del espacio-tiempo. Esta analogía entre el electromagnetismo clásico y la relatividad general, nos puede permitir el uso de metamateriales ópticos para estudiar fenómenos relativistas como las lentes gravitatorias”.

En sus estudios de demostración, el equipo mostró un compuesto de aire y el semiconductor fosfito de Galio-Indio-Arsénico (GaInAsP). Este material permitió operar en el rango del espectro infrarrojo y logró un alto índice de refracción con baja absorción.

En su artículo, Zhang y sus colaboradores citan como un proyecto particularmente intrigante para la aplicación de materiales ópticos la analogía mecánico-óptica para el estudio del fenómeno conocido como caos. El caos en los sistemas dinámicos es uno de los problemas más fascinantes de la ciencia y se observa en áreas tan diversas como el movimiento molecular, la dinámica poblacional y la óptica. En particular, un planeta que gira alrededor de una estrella puede caer en un movimiento caótico si se presenta una perturbación, tal como otro gran planeta. No obstante, debido a las grandes distancias espaciales que hay entre los cuerpos celestes, y los largos periodos implicados en el estudio de su dinámica, la observación directa del movimiento caótico planetario siempre ha sido un reto. El uso de la analogía mecánico-óptica puede permitir que estos estudios se concreten en una mesa en un laboratorio.

“A diferencia de los astrónomos, no tendremos que esperar 100 años para lograr resultados experimentales”, dice Zhang.

Un artículo que describe este trabajo está disponible on-line en la revista Nature Physics: “Mimicking Celestial Mechanics in Metamaterials (Imitando la Mecánica Celeste con Metamateriales)”.

Fuente: Universe Today. Aportado por Eduardo J. Carletti