Metamateriały  to wytworzone w laboratoriach sztuczne struktury o cechach niespotykanych w naturze. Ich unikalne właściwości nie wynikają bezpośrednio z właściwości użytych materiałów, lecz w głównym stopniu są wynikiem ustrukturyzowania. Metamateriały są zwykle ułożone w powtarzające się wzory. Precyzyjnie zaprojektowany kształt, geometria, rozmiar, orientacja i ułożenie nadaje im właściwości zdolne do manipulowania falami elektromagnetycznymi poprzez blokowanie, pochłanianie, wzmacnianie lub uginanie fal. W przypadku metamateriałów optycznych warunkiem koniecznym jest jedynie to, aby pojedynczy element składowy struktury był znacząco mniejszy od długości fali światła, dla której została zaprojektowana struktura. Tylko w takim przypadku metamateriały oddziałują ze światłem w sposób efektywny, tzn. jak jednorodny ośrodek o pewnych wypadkowych własnościach. Metamateriały pozwalają wykraczać poza prawa znane z klasycznej optyki i dzięki temu pozwalają uzyskać efekty niemożliwe do osiągnięcia za pomocą konwencjonalnych elementów optycznych. 

Jako pierwszą pracę naukową, dotyczącą koncepcji metamateriałów, powszechnie uznaje się artykuł teoretyczny, opublikowany w latach 60. XX wieku, przez rosyjskiego fizyka Wiktora Vesalago. Badacz ten jako pierwszy zadał sobie pytanie, co by było, gdyby istniały materiały optyczne o ujemnym współczynniku załamania? W życiu codziennym ta pozornie mało znacząca zmiana miałaby istotny wpływ na nasz sposób postrzegania rzeczywistości, gdyż zjawiska optyczne, do których jesteśmy przyzwyczajeni, stałyby się mylące. Przykładowo, patrząc na ołówek zanurzony w metamateriale o ujemnym współczynniku załamania, widzielibyśmy jego dolny koniec nad powierzchnią cieczy. Ryba pływająca w cieczy o ujemnym współczynniku załamania wydawałaby się przemieszczać nad powierzchnią cieczy, podobnie jak cała zawartość zbiornika. Soczewka wypukła, wykonana z metamateriału o ujemnym współczynniku załamania, rozpraszałaby światło, wklęsła zaś skupiała, czyli na odwrót, niż w przypadku zwykłych soczewek. 

Wiktor Veselago wykazał, że jeśli przenikalność elektryczna ε i przenikalność magnetyczna μ są ujemne, to współczynnik załamania n także musi być ujemny. Ów ośrodek o ujemnym współczynniku załamania określany jest w literaturze naukowej jako tzw. materiał lewoskrętny. Nazwa odnosi się do tego, że pole elektryczne (E), natężenie magnetyczne (H) i wektor propagacji (k) są powiązane regułą lewej ręki. Ujemna wartość ε lub μ oznacza również, że elektrony, które są wewnątrz ośrodka, poruszają się w przeciwną stronę, niż zwrot działającej na nie siły wytworzonej przez pole elektryczne i magnetyczne. Oczywiście wszystkie znane i badane w czasach Veselago materiały pochodzenia naturalnego charakteryzowały się dodatnim współczynnikiem przenikalności, a zatem dodatnim współczynnikiem załamania. Wydawało się więc, skądinąd słusznie, że materiały o ujemnym współczynniku załamania nie mogą naturalnie występować w przyrodzie.

Dopiero pod koniec lat 90. XX  i w pierwszej dekadzie XXI wieku anglosascy fizycy John Pendry i David Smith wrócili do idei Wiktora Veselago i z sukcesem przekuli teorię w praktykę, demonstrując sposób wykonania lewoskrętnego metamateriału. W roku 1998 skonstruowali oni materiał, który posiadał ujemną wartość przenikalności elektrycznej, przy czym pozwalał na transmisje fal elektromagnetycznych dla zakresu mikrofal. Miał on postać trójwymiarowej sieci cienkich drutów wolframowych, która wykazywały cechy podobne do plazmy o małej gęstości. Rok później ta sama grupa przedstawiła koncepcje struktury z ujemną przenikalnością magnetyczną, która zbudowana była z cienkich arkuszy metalu, uformowanych w kształt zawijającego się walca (ang. swiss rolls). Oświetlenie struktury falą elektromagnetyczną powodowało wzbudzanie prądów w układzie i sprawiało, że każdy cylinder działał jak obwód rezonansowy dla wybranej z góry długości fali. W efekcie generowane było pole magnetyczne prostopadłe do pola magnetycznego fali, a cała struktura efektywnie zachowywała się jak materiał o ujemnej wartości przenikalności magnetycznej.

Czytaj dalej (plik PDF)