Τα αριστερόστροφα υλικά έχουν αρνητικό δείκτη διάθλασης.

Από σελίδα του PhysicsWeb 5-Απριλίου-2001

Οι φυσικοί στο Πανεπιστήμιο San Diego της Καλιφόρνιας οι οποίοι την περασμένη χρονιά παρήγαγαν μια νέα κατηγορία συνθετικών υλικών πίστεψαν ότι θα αντιστρέψουν την συμπεριφορά πολλών θεμελιωδών ηλεκτρομαγνητικών ιδιοτήτων που σχετίζονται με αυτά τα υλικά και τώρα έχουν επιτέλους πειραματικές αποδείξεις για τις πρώτες από αυτές τις προσδοκόμενες αντιστροφές. Ανακάλυψαν δηλαδή ένα απίστευτο χαρακτηριστικό του νέου υλικού, που έχει αναπτυχθεί από τους αμερικανούς φυσικούς, Sheldon Schultz και των συναδέλφων του. Να έχει δηλαδή αρνητικό δείκτη διαθλάσεως, που είναι μια ιδιορρυθμία των θεμελιωδών κανόνων της οπτικής.

Τα πειράματά τους δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Science (Απρίλιος 2001) δείχνουν έναν τρόπο διάδοσης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας μέσα στα συνθετικά αυτά υλικά που δεν είχε ποτέ παρατηρηθεί στο παρελθόν. 
Το επίτευγμα αυτό δεν είναι μόνο ένα επιστημονικό αξιοπερίεργο. Τα νέα υλικά θα μπορούσαν να αποδειχτούν χρήσιμα στην ανάπτυξη νέων κεραιών και άλλων ηλεκτρομαγνητικών συσκευών. Μπορεί επίσης να καταστήσει δυνατή την κατασκευή "τέλειων φακών" ικανών να εστιάζουν το φως και άλλες ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες με ακρίβεια που δεν επιτρέπουν οι συμβατικοί φακοί.

Στα πειράματά τους οι επιστήμονες διαβίβασαν μικροκύματα με συχνότητες όμοιες με αυτές που χρησιμοποιεί η αστυνομία στα radar της μέσα από ένα μικροσκοπικό δείγμα φτιαγμένο από το συνθετικό υλικό τους. Ότι ανακάλυψαν είναι αυτό ακριβώς που είχαν προβλέψει πριν ένα χρόνο. Ότι δηλαδή τα μικροκύματα εξήλθαν από το υλικό στην αντίθετη κατεύθυνση από αυτή που προβλέπεται από το νόμο του Snell. Ο νόμος του Snell περιγράφει τη  γωνία διάθλασης που παρατηρείται  καθώς το φως επιβραδύνεται όταν εισέρχεται σε υλικά όπως το νερό, το γυαλί και άλλα συνηθισμένα διαφανή υλικά.

Αυτά τα πειράματα επιβεβαιώνουν προηγούμενες θεωρητικές προβλέψεις, ότι μια νέα κατηγορία υλικών μπορεί να προκαλέσει την εκτροπή των μικροκυμάτων σε κατεύθυνση αντίθετη απ' αυτή που προκαλούν τα συνηθισμένα υλικά, λέει ο Sheldon Schultz, καθηγητής φυσικής στο UCSD. Ο Schultz μαζί με τους David R. Smith και Richard A. Shelby είναι οι επιστήμονες που ανέφεραν την παρατήρηση. Αν το φαινόμενο αυτό αποδειχτεί δυνατόν να συμβεί και με τις οπτικές συχνότητες, τα υλικά αυτά θα έχουν την παράξενη ιδιότητα, μια μικρή φωτεινή αναλαμπή από τη μια πλευρά ενός τέτοιου πλακιδίου να εστιάζεται σ' ένα σημείο από την άλλη πλευρά. 

Δεν υπάρχει κανένας τρόπος να πετύχουμε κάτι τέτοιο με τα συνηθισμένα διαφανή υλικά. Οι φυσικοί μετρούν την εκτροπή του φωτός από ένα υλικό με τον λεγόμενο δείκτη διάθλασης του υλικού. Όσο πιο μεγάλη τιμή έχει ο δείκτης διάθλασης τόσο πιο πολύ επιβραδύνεται το φως και εκτρέπεται όταν εισέρχεται από ένα υλικό σε ένα άλλο. Ο αέρας για παράδειγμα έχει δείκτη διάθλασης 1,0 για το φως, το νερό έχει 1,3 και το γυαλί περίπου 1,5. Αυτό σημαίνει ότι μια ακτίνα φωτός κάμπτεται κατά κάποια γωνία όταν εισέρχεται στο νερό από τον αέρα και κάμπτεται λίγο περισσότερο όταν εισέρχεται στο γυαλί.
Το φαινόμενο αυτό σε συνδυασμό με την καμπύλη επιφάνεια του γυαλιού επιτρέπει στους φακούς να εστιάζουν το φως. 

Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία εκτρέπεται πάντα προς την ίδια κατεύθυνση όταν περνάει μέσα από τα συνηθισμένα υλικά τα οποία λέμε ότι παρουσιάζουν θετικό δείκτη διάθλασης. Επειδή όμως τα νέα συνθετικά υλικά εκτρέπουν το φως προς την αντίθετη κατεύθυνση λέμε ότι παρουσιάζουν αρνητικό δείκτη διάθλασης.  Πρόκειται για την πρώτη επίδειξη υλικών με αρνητικό δείκτη διάθλασης. Ο λόγος για τον οποίο υλικά με αρνητικό δείκτη διάθλασης μπορούν να δώσουν τέλειους φακούς είναι ότι δεν παρουσιάζουν σφάλματα περίθλασης. Το σφάλμα περίθλασης εμποδίζει ένα συμβατικό φακό να συγκεντρώσει το φως μιας σημειακής πηγής σε εστία διαμέτρου μικρότερης από το ήμισυ του μήκους κύματος που χρησιμοποιείται.

Αν και το συνθετικό υλικό που αναπτύχθηκε από την ομάδα στο UCSD δεν μπορεί να εστιάσει το ορατό φως, αυτό δεν αποτελεί ουσιαστικό εμπόδιο και ελπίζεται ότι σύντομα θα παρακαμφθεί. Η συμπεριφορά των υλικών αυτών δεν παραβιάζει κάποιο νόμο της φυσικής. Απλά δείχνει μια αντιστροφή ενός από τους δεξιόστροφους κανόνες της φυσικής ο οποίος περιγράφει τη σχέση μεταξύ του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου της ακτινοβολίας και της κατεύθυνσης της ταχύτητας διάδοσής της.

Μια άλλη ιδιότητα την οποία προβλέπεται ότι αναστρέφει το νέο συνθετικό υλικό είναι το φαινόμενο Doppler.Σύμφωνα με αυτό η συχνότητα του φωτός μιας κινόυμενης πηγής μεγαλώνει καθώς η πηγή πλησιάζει τον παρατηρητή και μειώνεται καθώς απομακρύνεται από αυτόν.  Σύμφωνα με τις εξισώσεις του Maxwell που περιγράφουν τη σχέση μεταξύ του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου, μια μικροκυματική ακτινοβολία ή το φως μιας κινούμενης πηγής θα δείχνει το αντίθετο από το συνηθισμένο αποτέλεσμα μέσα σε ένα τέτοιο υλικό. Ένας παρατηρητής δηλαδή θα μετράει μικρότερη συχνότητα καθώς η πηγή πλησιάζει και μεγαλύτερη  καθώς η πηγή απομακρύνεται από αυτόν.