Un trabajo teórico sobre la incandescencia de los metamateriales temporales publicado por los investigadores de la Universidad Pública de Navarra (UPNA) y del Instituto de Investigación Smart Cities (ISC-UPNA) Iñigo Liberal y J. Enrique Vázquez-Lozano ha sido seleccionado como uno de los mejores trabajos en el campo de la óptica y la fotónica por la asociación internacional de referencia en la materia, OPTICA (anteriormente conocida como OSA). El artículo científico, que ya fue publicado en la revista “Nature Communications”, una de las de mayor prestigio internacional a nivel multidisciplinar, se recoge en el número especial “Optics in 2023”, que OPTICA publica en diciembre con los mejores trabajos del año.
El trabajo de los investigadores explora la posibilidad de controlar los procesos de emisión térmica mediante un enfoque completamente novedoso y disruptivo: el uso de materiales cuyas propiedades cambian en el tiempo. Como explican los investigadores, tradicionalmente, y desde un punto de vista fundamental, el fenómeno de emisión térmica ha estado asociado con la radiación que es capaz de emitir un cuerpo negro, es decir, un objeto que no refleja nada y que absorbe toda la radiación. Tal y como establece la ley de Planck, dicha emisión solo depende de la temperatura del cuerpo, y es “intrínsecamente incoherente, estocástica, omnidireccional, de gran ancho de banda, y no polarizada”.
De izda. a dcha., J. Enrique Vázquez-Lozano e Iñigo Liberal, en la UPNA.
Sobre la base de otro principio básico, la ley de Kirchhoff de la radiación, distintos trabajos, tanto teóricos como experimentales, han demostrado la posibilidad de controlar los procesos de emisión térmica mediante el uso de nanoestructuras fotónicas. El diseño de configuraciones apropiadas, tanto en la elección de los propios materiales como en la forma, tamaño y orientación de las estructuras realizadas a escala nanométrica, han permitido controlar las características de la radiación térmica, incluyendo su coherencia, directividad, polarización y el ancho de banda. Sin embargo, bajo este enfoque, basado en el modelado geométrico, el cuerpo negro constituye un límite fundamental e infranqueable.
Sobre esta base general, el objetivo del trabajo es precisamente el de introducir el tiempo como una herramienta más de diseño y en analizar tanto sus consecuencias fundamentales como su potencial para aplicaciones. En ese sentido, se demuestra que cambiando el paradigma y pasando a una ingeniería basada en la modulación temporal de las propiedades de los materiales, es decir, en los metamateriales temporales, es posible rebasar los límites físicos establecidos para el cuerpo negro.
Hallazgos que expanden los límites del conocimiento
La ingeniería térmica es un campo de estudio con un fuerte impacto a nivel tecnológico que repercute directamente en otras áreas tales como la electrónica o la fotónica. En particular, el desarrollo y optimización de emisores térmicos eficientes es esencial para energías renovables como el enfriamiento radiativo y sistemas termo-fotovoltaicos, así como en aplicaciones relacionadas con el sensado, las comunicaciones y los sistemas de imagen y camuflaje térmico. “Además de contribuir a la mejora de las prestaciones de los emisores térmicos convencionales, estos hallazgos expanden los límites, apuntando hacia nuevas tecnologías como máquinas térmicas o refrigeradores radiativos”, indican los autores del artículo.
“El trabajo da paso también a nuevas preguntas desde un punto de vista fundamental”, apuntan los investigadores. “Por un lado se tiene que, por lo general, las corrientes térmicas parecen estar completamente incorreladas (o inconexas) entre sí. Sin embargo, el hecho de modular las propiedades de un material en el tiempo da lugar a una serie de correlaciones no triviales, en el espacio y en la frecuencia”, explican. “De alguna manera -apuntan- esto quiere decir que la modulación temporal permite conectar procesos que ocurren en regiones muy separadas. Más allá de mejorar notablemente la emisión, sus consecuencias están todavía por analizar. Finalmente, mientras que la emisión térmica convencional puede ser descrita mediante formalismos semiclásicos, los metamateriales temporales requieren de un tratamiento basado en electrodinámica cuántica macroscópica. El hecho de que la amplificación del vacío cuántico se superponga a la emisión térmica convencional abre la posibilidad al desarrollo e implementación de tecnologías cuánticas en el campo de la radiación térmica”, indican. “Entender las razones físicas, así como el alcance de esta unificación entre los mecanismos de extracción cuántica de fotones del vacío con los procesos de emisión térmica, suponen un inquietante reto científico-técnico aún por explorar”, concluyen.
Breve CV de Iñigo Liberal y J. Enrique Vázquez-Lozano
Iñigo Liberal (Pamplona, 1985) es ingeniero (2009) y doctor en Ingeniería de Telecomunicación (2013) por la Universidad Pública de Navarra. Investigador Ramón y Cajal en la UPNA, en 2020 recibió la ayuda “Starting Grant” del European Research Council (ERC), considerada como la de mayor prestigio científico de la Unión Europea.
J. Enrique Vázquez-Lozano (Huelva, 1989) es físico (2012), máster en Física y Matemáticas (2014) y doctor en Ingeniería de Telecomunicación (2021) por las universidades de Sevilla, Granada, y la Politécnica de Valencia, respectivamente. Actualmente, es investigador postdoctoral con un contrato Juan de la Cierva-Formación en la UPNA.
Ambos se encuentran adscritos al departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación de la Universidad Pública de Navarra (UPNA), desarrollando su trabajo en el proyecto europeo “Near-Zero-Index NAnophotonic TECHnologies” (NZINATECH), liderado por Iñigo Liberal.
Sobre OPTICA
OPTICA es una asociación internacional, fundada en 1916, dedicada a promover la generación, aplicación y expansión del conocimiento en el campo de la óptica y la fotónica. Es la asociación de referencia para la comunidad científica, profesionales, estudiantes y, en general, público interesado en la ciencia que estudia la luz.
Para la consecución de sus objetivos, OPTICA realiza publicaciones científicas y organiza reuniones, formaciones y otras actividades que impulsan el conocimiento y el avance científico en las materias objeto de su estudio.