Metamaterial có tầm quan trọng đặc biệt trong điện từ học(đặc biệt là quang và quang tử). Nó hứa hẹn cho một loạt các ứng dụng về quang hoc và vi sóng như tia dẫn hướng, bộ biến điện, bộ lọc thông dải, các loại thấu kính, bộ ghép vi sóng, và dây ăngten rada.Để kết cấu ảnh hưởng đến sóng điện từ, metamaterial phải có cấu trúc nhỏ hơn bước sóng của bức xạ điện từ tương tác với nó. Ví dụ, nếu metamaterial thể hiện như một vật liệu đồng nhất đặc trưng một cách chính xác bởi một hệ số chiết suất tác động, kích thước đặc trưng phải nhỏ hơn nhiều so với những bước sóng. Với ánh sáng nhìn thấy, có bước sóng nhỏ hơn một micrometre (560 nanometers cho ánh sáng mặt trời), các cơ cấu này có thể bằng một nửa hoặc ít hơn một nửa kích thước này; nghĩa là, ít hơn 280 nanometres. Đối với bức xạ vi-ba, các cơ cấu chỉ cần được xếp trật tự trên 1 decimetre. metamaterial cho vi sóng gần như luôn luôn là nhân tạo, cấu trúc như một dãy các thành phần dây dẫn có phù hợp đặc điểm điện môi và điện dung.

Metamaterial thường là 1 cấu trúc có chu kì, và như vậy nó có nhiều tương đồng với quang tử bán dẫn và mặt chọn tần số. Tuy nhiên có chú ý rõ ràng với metamateril, đặc điểm của chúng là có kích thước tương ứng với bước sóng ánh mà chúng hoạt động, và vì vậy có thể không được coi như là một vật liệu đồng nhất.

Hiện tượng tán xạ của sóng điện từ trong môi trường có chiết suất âm so sánh về tính chiết quang nghịch metamaterial với một vật liệu bình thường.Lý do chính nhà nghiên cứu đã khảo sát metamaterial là khả năng tạo ra một cấu trúc với một hệ số chiết suất âm, tính chất này không xuất hiện trong tự nhiên. Hầu như tất cả các vật liệu quang học, chẳng hạn như kính hoặc nước, đều có giá trị dương cho độ thẩm ε và độ xuyên μ. Tuy nhiên, nhiều kim loại (chẳng hạn như bạc và vàng) có độ thẩm ε âm với bước sóng nhìn thấy. Một vật liệu có thể 1 (nhưng không phải cả hai) ε hoặc μ âm thì chắn được bức xạ.

Mặc dù tính chất quang của vật liệu trong suốt được xác định đầy đủ bởi các tham số ε và μ, thực tế hệ số chiết suất n thường được sử dụng, với n được xác định bởi.Tất cả các vật liệu trong suốt có giá trị dương cho ε và μ.

Tuy nhiên, một số metamaterial được thiết kế có ε <0 và μ <0; εμ khi đó mới dương, n là thực tế. Dưới hoàn cảnh như vậy, cần thiết phải lấy âm cho căn bậc 2 n. Nhà vật lý Victor Veselago đã chứng minh rằng các chất có thể truyền ánh sáng. Như vậy có thể coi Veselago (LB Sô viết)[1] là cha đẻ của khái niệm n<0. Cho những ai quan tâm về bài báo đầu tiên khơi nguồn cho MTM tại [2]

Tiền đề xem xét ở trên thì giản dị thái quá cho vật liệu thực, vì giá trị εμ phải dương. Thực sự của cả hai phần ε và μ không cần phải âm cho một vật liệu để thể hiện chiết suất âm.

Metamaterial có n âm có nhiều tính chất:• Định luật Snell (N1sinθ1 = N2sinθ2) vẫn còn được áp dụng, nhưng như N2 là âm, các tia sẽ được khúc xạ trên cùng một bên với tia tới.• Độ dịch chuyển Doopler bị đổi ngược: đó là, một nguồn ánh sáng di chuyển về hướng giảm tần số của nó.• bức xạ Cherenkov chỉ về hướng khác.• Vecto Poynting thì ngược với vận tốc pha. Điều này có nghĩa là không giống như vật liệu thuận bình thường, các mặt truyền sóng di chuyển trong phía đối diện hướng dòng chảy của năng lượng.

Đối với mặt phẳng sóng truyền trong metamaterial, điện trường và từ trường và vec tơ sóng tuân theo quy tắc bàn tay trái, vì vậy gọi là left-handed (meta)material. Một số nhà nghiên cứu xem xét sự định tính quy tắc bàn tay trái cho những tính toán vật liệu dạng này.

Ảnh hưởng của hệ số chiết suất âm là sự truyền sóng trong đường chuyển tiếp ngược, và các cấu trúc đã được sử dụng để xác minh một số trong các hiệu ứng được mô tả ở đây.