Mezi základní optické jevy patří odraz a lom světla, tedy laicky řečeno ohnutí světla při jeho průchodu rozhraním mezi dvěma různými materiály. S tímto jevem se setkáváme dnes a denně, aniž to registrujeme. Bereme je prostě jako samozřejmost. Typický a často uváděný důsledek lomu světla je: "Hůl do vody vložená, jeví se býti zlomená". Odraz a lom je pak základním principem funkce čoček a optických hranolů a dalších optických prvků používaných k zaostření, vedení a dalším "manipulacím" se světlem. Každý materiál, včetně vzduchu, má tzv. index lomu n, který určuje změnu trajektorie světla dle poměru indexů n2/n1 lomu dvou materiálů, přes jejichž rozhraní se světlo šíří, dle tzv. Snellova zákonu lomu:

Úhel lomu získaný tímto zákonem se uvažuje od kolmice rozhraní dvou prostředí, jejichž indexy lomu byli do vzorce dosazeny. Jestliže tedy materiály na obou stranách rozhraní jsou rozdílné, bude se lišit úhel z rozhraní vycházejícího paprsku proti úhlu paprsku dopadajícího. Paprsek světla se tedy na rozhraní "ohne".

Všechny průhledné nebo průsvitné materiály, které známe a jsou přírodní, vykazují pozitivní index lomu světla, tj. index větší než 0. Ale je zde nějaká základní příčina, která by zamezila vytvořit materiál s negativním indexem lomu ? Tuto otázku si položil a následně zodpověděl již v roce 1968 ruský fyzik Victor Veselago. Není. Fyzikálně totiž nic nebrání tomu, aby materiál měl negativní index lomu. Pouze se takový v naší přírodě nevyskytuje. Pan Veselago tak publikoval analýzu o elektromagnetických vlastnostech materiálů s negativní permitivitiu a permeabilitou. Tyto dvě veličiny jsou běžné materiálové parametry popisující, jak se materiály polarizují v přítomnosti elektrického a magnetického pole. Vztah mezi permitivitou, permeabilitou a indexem lomu materiálu je dán následující Maxwellovou rovnicí:

Označení indexu lomu se obvykle bere jako kladný. Pan Veselago však ukázal, že jestliže médium má negativní permitivitu i permabilitu, musí být zvoleno negativní znaménko druhé mocniny základu. Navíc někomu se pak může zdát přinejmenším podivná platnost vzorce pro rychlost šíření elektromagnetické vlny v = c / n, kde c je rychlost světla ve vakuu a n zmíněný index lomu. Protože pokud je index záporný, vychází záporná i rychlost šíření, což by znamenalo, že by se vlna nepohybovala od zdroje, ale naopak ke zdroji, což je nesmysl. Jenže chyba není ve vzorci, ale v jeho interpretaci, kde v je tzv. fázová rychlost, což je hodnota určující jak části špičky sinusovky procházejí určitým daným bodem v čase. Jenže to není relevantní definice rychlosti pohybu vlny. Ta je přesněji daná tzv. skupinovou (groupovou) rychlostí, která určuje rychlost šíření energie a čela vlny a obecně se může lišit od fázové rychlosti.

Praktická aplikace Snellova zákona lomu se uvažuje na rozhraní mezi dvěma materiály a imaginární osou, kolmou na povrch rozhraní. Úhly uváděné v zákoně jsou počítány právě od kolmé osy. Jestliže mají dva materiály různý index lomu, úhel papersku vycházejícího z rozhraní dvou materiálů se bude lišit od úhlu paprsku na něj dopadající. Paprsek se tedy jako by ohne. Běžná cesta k určení indexu lomu materiálu je použití hranolu, prosvítit ho a zjistit vychýlení paprsku. Tím se ukáže, jestli má materiál hranolu stejný index jako okolní prostředí, větší nebo menší.

Prakticky může být rozdíl materiálu s kladným (pozitivním) a záporným (negativním) indexem lomu demonstrován na testu se dvěma hranoly, jeden z teflonu (pozitivní index) a druhý z tzv. metamateriálu, které odklánějí (lámají) do nich vyslaný mikrovlný paprsek, kolmý na vstupní hranu hranolu. Zatímco z teflonu vychází paprsek v kladném úhlu vzhledem k ose výstupní hrany (dle Snellova zákona), v kontrastu s tím paprsek, který se vyjde z hrany metamateriálu, je ohýbán v negativním úhlu v určitých frekvencích. Aby pokus nebyl vykládán jako náhoda, byl proveden opakovaně pro různé další vzorky, které negativně ohýbali parsek pod různými úhly. Následně šli vědci ještě dál a povedlo se jim vytvořit pravoúhlý (obdelníkový profil) materiálu, který se chová stejně a může například být použit pro zaostřování elmag. vln do antény.

Co jsou to elekromagnetické metamateriály?

Obecně se dá říct, že různé materiály různě interagují se světlem, i jinými elektromagnetickými poli. Díky tomu mohou být použity pro různé směrování a řízení světla (čočky, světlovody, optické hranoly apod.). Jejich tvar a druh materiálu, ze kterého jsou vytvořeny, pak určuje jejich vlastnosti.

Kvalita a diverzita optických prvků nebo jejich částí je určena elekromagnetickými vlastnostmi materiálů. Ale všechny současné existující materiály nabývají pouze části elektromagnetických vlastností, kterých je možné teoreticky dosáhnout. Jednou z cest, jak expandovat dosažitelný rozsah vlastností, je buď chemickým nastavením složení materiálů na molekulární úrovni nebo aplikovat úplně jiný přístup, tedy přejít na uměle vytvořené speciálně strukturované materiály, tzv. metamateriály. Ty jsou tedy novou třídou uměle vytvořených kompozitních nehomogeních materiálů, které vykazují vyjímečné vlastnosti nevyskytující se nikde v přírodě!

Obecně je známé, že permitivita a permeabilita jsou pouze relevatními parametry materiálu pro elekromagnetické vlny. Z tohoto pohledu si můžeme představit celý rozsah hodnot obou těchto parametrů jako "materiálový prostor", do kterého lze umístit všechny možné materiály. Každý materiál je tak reprezentován bodem v prostoru, kde na jedné ose je permitivita a na druhé permeabilita - viz obrázek vedle. Oblast v pravém horním kvadrantu, kde jsou oba parametry kladné, obsahuje všechny známé materiály, zatímco levém dolním kvadrantu (III. kvadrant) vykazují nám zatím dosud neznámé materiály, které však musí být jen uměle vytvořené, protože v přírodě takové vůbec neexistují !! Právě materiály v této oblasti jsou označované jako metamateriály. První metamateriál byl však fyzicky vytvořen teprve nedávno, až v roce 2000, i když již téměř 50 let bylo jasné, že fyzikální zákony vznik takových materiálů umožňují.

V roce 2000 totiž skupina pracovníků University of California v San Diegu použila mřížku měděných kroužků a vodičů, které byly deponovány na substrát normálně používaný pro desky plošných spojů a zjistily, že právě tento "metamateriál" vykazuje negativní index lomu pro mikrovlné elektromagnetické paprsky. Následně v roce 2001 byl vykonán experiment, který potvrdil, že se mikrovlný paprsek zalomil dle negativního indexu lomu.

Optický metamateriál (metamateriál pracující ve vlnových délkách okolo 1400 nm i méně) se podařilo panu Shalaevovi vytvořit již v roce 2001. Strukturu Shalaevova nového materiálu s negativním indexem lomu světla tvoří nanohranoly ze zlata, které jsou zatavené do skla. Takovým materiálem prochází světlo a jeho index lomu je záporný. A protože čočky z metamateriálů lze označit za "perfektní" jsou optické mikroskopy využívající tohoto objevu jsou schopny zobrazit i jednotlivé molekuly. Při využití ve fotolitografie je zase možné "poskládat" na křemíkový čip mnohem více tranzistorů (součástek).

Použití

Metamateriály vykazující negativní index lomu mohou být velice užitečné. Například lze jimi vytvořit tzv. perfektní čočky, které zaostřují všechny elektromagnetické paprsky zdroje přesně do jednoho bodu. To by v budoucnu mohlo posunout hranici možností jak litografie pro výrobu integrovaných obvodů, tak i dalšího optického zpraování a "obrábění" materiálů na velikosti řádově jen pár desítek nm. V těchto rozměrech jsou již je právě potřeba špičkové čočky bez vad a negativních vlastností.

Navíc čočky a vůbec světlovodné materiály s negativním indexem lomu proti těm běžným nevytvářejí takové ztráty na procházejícím paprsku a tedy zkvalitňují přenos informací při datové komunikaci. To by například umožnilo vytvořit "dokonalé" světlovody se zanedbatelnými ztrátami (malým útlumem) a tedy s obrovským dosahem.

Další výhodou tzv. perfektních čoček je, že neotáčejí obraz a zaostřují i předměty umístěné těsně před čočku. To je výhodné všude tam, kde se zpracovává obraz, ať již to jsou kamery či dalekohledy, protože obraz bude obsahovat daleko více detailů. Realizaci takových aplikací v blízké budoucnostu pak podporuje v současné době i to, že nedávno se vědcům se podařilo sestrojit metamateriál s negativním indexem lomu pracující ve viditelném světle.