Los metamateriales son una nueva clase de materiales artificiales que pueden ser diseñados para poseer propiedades que serían difíciles o imposibles de encontrar en la naturaleza. Los metamateriales han posibilitado la aparición de un gran número de nuevos dispositivos fotónicos con asombrosas propiedades. Entre ellos, cabe destacar a los medios de índice negativo (NIMs), con los que es posible construir superlentes carentes del límite de resolución de las lentes convencionales, así como los dispositivos basados en óptica de transformación, una nueva teoría del electromagnetismo que permite conocer las propiedades que un medio debe tener para curvar o distorsionar el espacio electromagnético. Como consecuencia, ha sido posible crear dispositivos fascinantes, tales como capas de invisibilidad o agujeros negros ópticos. Debido a su importancia, en esta tesis nos hemos centrado en estas dos aplicaciones de los metamateriales.

En el caso de los medios de índice negativo, hemos estudiado cómo éstos pueden ser construidos a partir de estructuras de transmisión extraordinaria. Como resultado principal, se ha diseñado y verificado experimentalmente un novedoso metamaterial de altas prestaciones que presenta una elevada figura de mérito (sustancialmente mayor que las de trabajos previos) en el espectro visible. La estructura también presenta independencia de polarización y propiedades homogéneas para incidencia normal. Esta demostración corresponde al primer NIM experimental con bajas pérdidas en el régimen visible y también al primero formado por varias celdas unidad en la dirección de propagación, un paso importante hacia NIMs homogéneos en esta banda. Este trabajo ha sido reconocido como uno de los últimos hitos en metamateriales ópticos tridimensionales. Además, otros autores han demostrado que las propiedades de nuestra estructura pueden ser empleadas para controlar la velocidad de propagación (subluminal y superluminal) de pulsos laser de femtosegundos o para conseguir conmutación óptica con velocidades del orden de terabits por segundo.

En otra línea, hemos introducido el concepto de seguridad óptica basado en magnetismo artificial fuerte en este rango espectral. Esta exótica propiedad podría actuar como una firma óptica exclusiva que puede ser identificada fácilmente a partir de medidas adecuadas, y reproducible solamente con las técnicas de fabricación más avanzadas, añadiendo así un mayor nivel de seguridad y reduciendo enormemente la posibilidad de falsificación. Además, hemos diseñado estructuras con respuestas magnéticas excepcionalmente elevadas en este rango, que encajan perfectamente con el perfíl de etiqueta de seguridad deseado. A diferencia de la mayoría de aplicaciones basadas en metamateriales, la seguridad óptica podría llegar a ser una aplicación real y alcanzar el mercado a corto plazo, ya que las técnicas de fabricación requeridas son comparativamente menos exigentes.

En cuanto a la óptica de transformación, hemos trabajado en el desarrollo y aplicación de metodologías de diseño que simplifiquen los parámetros constitutivos requeridos para la implementación de "medios de transformación", y que por tanto faciliten las etapas de diseño y fabricación de los metamateriales requeridos para sintetizar dispositivos basados en óptica de transformación. En este sentido, hemos seguido dos enfoques distintos. El primero ha consistido en la minimización de la anisotropía que aparece al realizar una transmutación de singularidades en ciertos elementos ópticos. Para ello nos hemos basado en la idea de transmutación parcial, la cual suprime la necesidad de utilizar elementos resonantes para su implementación. Esto podría convertir en realidad dispositivos de alto impacto, como capas de invisibilidad de gran ancho de banda, que de otra forma serían muy difíciles de conseguir. Por otro lado, hemos aplicado el concepto de mapeo quasi-conforme para conseguir diseñar dispositivos tecnológicamente realizables, tales como compresores ópticos isotrópicos y elementos capaces de conseguir diagramas de radiación complejos a partir de una fuente omnidireccional de forma sencilla.

Finalmente, hemos estudiado en profundidad algunos aspectos teóricos de la óptica de transformación. Dicho estudio nos ha permitido desarrollar dispositivos de gran interés, que podrían encontrar aplicación en procesado de alta velocidad y redes de comunicaciones. Entre ellos encontramos acopladores ultracompactos para guías nanofotónicas de alto índice, híperlentes planas sin reflexiones, acopladores para guías metálicas con diferente sección transversal y dispositivos capaces de acoplar luz a plasmones superficiales confinados en superficies metálicas sin estructurar, con anchos de banda angulares considerablemente mayores que los de acopladores convencionales