Alle, der har stået ved en søbred og set ned i vandet, er bekendt med, at lyset ændrer retning, når det går fra luft til vand. Det brydes.
Den viden har været kendt og forstået gennem århundreder, men i disse år er forskere ved at vende op og ned på reglerne for lysets brydning. De vil både lave den perfekte linse og gerne også Harry Potters usynlighedskappe.
Den vender vi tilbage til sidst i artiklen.
Lige siden den hollandske glasmager Hans Lippershey lavede det første praktiske teleskop i 1608, og Galileo året efter tog et sådant i brug til astronomiske studier, er optiske instrumenter blevet forfinet og forbedret, så vi nu kan se Universets fjerne egne og få forstørret naturens mindste dele.
Alle mikroskoper lider dog af en fundamental begrænsning: Detaljer mindre end lysets bølgelængde kan ikke ses ved en optisk afbildning. Derfor bruger man ofte ekstremt kortbølget lys eller røntgenstråling, når de allermindste emner studeres.

Men med helt nye materialer designet på bedste ingeniørvis vil forskerne nu omgå denne begrænsning. Nøglen hertil er et materiale med et brydningsindeks på minus en.
Uden kendskab til optikkens grundregler kan det være vanskeligt at forstå, hvad der menes med et negativt brydningsindeks.
For bedre at begribe, hvordan et sådant materiale skal fremstilles, og hvordan det påvirker lysets egenskaber, spoler vi tiden tilbage til optikkens moderne gennembrud.
I begyndelsen af 1600-tallet fik glasmagernes tekniske fremskridt mange videnskabsmænd til at kaste sig over optikken. En af dem var hollænderen Willebrord Snel van Royen (1580-1626) - hans latinske navn var Snellius, og derfor kaldes han almindeligvis for Snell i dag, stavemåden Snel ses dog også.
Baseret på en lang række eksperimenter opdagede Snell i 1621, at når lys rammer glas, er der et fast forhold mellem sinus til lysets indfaldsvinkel og sinus til dets brydningsvinkel. Tallet kaldes glassets brydningsindeks.
Først var denne brydningslov en ren empirisk lov, udelukkende beroede på eksperimenter, men den er senere bevist ud fra fundamentale egenskaber.
Brydningsloven er altså ikke til revision. Men alligevel gemte den på en overraskelse i mere end 300 år.
Lige siden midten af 1600-tallet har man vidst, at brydningsindeks hænger sammen med lysets hastighed, men en nøjagtig forklaring måtte afvente James Clerk Maxwell (1831-1879) og hans matematiske beskrivelse af udbredelsen af elektromagnetiske bølger i 1873.

Lys er som radiobølger og røntgenstråling eksempler på elektromagnetiske bølger. Og det er vekselvirkningen mellem det elektromagnetiske felt og materialets atomer, der bestemmer dets brydningsindeks.
Da atomerne er mange gange mindre end bølgelængden af synligt lys, der er omkring 0,5 µm, så "opdager" lyset så at sige ikke de individuelle atomer, og materialet kan makroskopisk karakteriseres ved to parametre: Hvordan det reagerer på henholdsvis det elektriske felt og det magnetiske felt, udtrykkes ved den elektriske permittivitet, e, og den magnetiske permeabilitet, µ.
Af Maxwells ligninger fremgår det, at lysets hastighed er 1/(eµ), og materialets brydningsindeks er (erµr), hvor er og µr er henholdsvis den relative permittivitet og permeabilitet (i forhold til vakuum).
Vi er vant til at opfatte er og µr, som positive tal, men der findes ferroelektriske materialer, som har en negativ er, hvor det indre elektriske felt i materialet altså går i modsat retning af et påtrykt elektrisk felt. Sådanne materialer er dog ikke gennemsigtige, så dem har optikerne aldrig rigtigt interesseret sig for.
Til trods for, at der ikke kendes naturlige materialer med en negativ µr, så offentliggjorde den russiske fysiker Victor Vesalago i 1968 en artikel, hvor han på baggrund af Maxwells ligninger beregnede, hvordan lyset ville udbrede sig og brydes i materialer med negative værdier for både er og µr.
Sådanne materialer er overraskende nok gennemsigtige og Vesalago viste, at brydningsindeks i sådanne materialer ville være negativt, altså n = - (er µr).
Snells brydningslov holder stadig, hvis man vel at mærke regner vinklen med fortegn. En lysstråle vil derfor brydes i modsat retning. Det var lovens skjulte hemmelighed.
De få, der overhovedet lagde mærke til Vesalagos analyse, som blev publiceret i et russisk tidsskrift, betragtede den nærmest som en matematisk kuriositet uden praktisk betydning.
Men tre årtier senere, i midten af 1990'erne, tog John Pendry fra Imperial College i London ideen op. Sammen med David Smith ved Duke University i USA har de været førende i udviklingen af metamaterialer med negativt brydningsindeks.
Der er nemlig intet, der på forhånd tilsiger, at permittiviteten eller permeabiliteten er bestemt af de individuelle atomer, men kun af objekter hvis størrelse og indbyrdes afstand er meget mindre end bølgelængde for det elektromagnetiske felt.
Arbejder man derfor med mikrobølger, hvis bølgelængde er i centimeterområdet, kan man altså selv designe såkaldte metamaterialer med usædvanlige værdier for er og µr.
En interessant konstruktion er et periodisk gitter bestående af tråde og små resonansringe. Når mikrobølger passerer gennem et sådant metamateriale, vil der ske en vekselvirkning med trådene, der giver anledning til et negativt er, og en vekselvirkning med ringene, der giver et negativt µr. Og ved 13 GHz viste Pendry, at man så får et brydningsindeks på minus 2,7.
Tænker man nu en blok af et metamateriale med et brydningsindeks på præcist minus 1 placeret i en afstand, som er halvdelen af materialets tykkelse fra en genstand, så vil der dannes et perfekt billede af genstanden i samme afstand på den anden side.
Det skyldes, at den optiske vejlængde fra genstand til billede er nul for alle elektromagnetiske bølger (den optiske vejlængde er brydningsindeks gange den fysiske vej - og det er let at overbevise sig om, at enhver lysstråle fra genstand til billede er lige så meget uden for metamaterialet som indenfor). Det er den perfekte linse. Et brydningsindeks på minus 1 kan dog kun opnås ved en enkelt frekvens.