Στον 20ό αιώνα περάσαμε σε πειραματικές προσπάθειες και τεχνολογικές εφαρμογές με δέσμες από μαζικά σωμάτια τα οποία όταν παρουσιάζουν «κλασική» συμπεριφορά (δηλαδή μπορούν να θεωρηθούν σαν εντοπισμένες οντότητες με ταυτόχρονα γνωστές τη θέση και την ορμή τους) τότε η αναλογία με τη γεωμετρική οπτική όπου το φως περιγράφεται ως σύνολο από οδεύουσες ακτίνες, είναι επαρκής και σχεδόν πλήρης. Υπάρχουν δύο βασικά σημεία διαφοροποίησης ανάμεσα στις φωτεινές και τις «υλικές δέσμες»: α) η βαρύτητα λόγω της μάζας που έχουν τα υλικά σωμάτια και η οποία επιδρά καταστρεπτικά στην ευθύγραμμη διάδοση της δέσμης, β) η διαφορά στην ταχύτητα με δεδομένο ότι το φως τρέχει με την ίδια ταχύτητα για όλους τους αδρανειακούς παρατηρητές ενώ τα μαζικά σωμάτια έχουν μια ποικιλία ταχυτήτων ενώ ακόμη μπορούν και να φρενάρουν. Σήμερα είμαστε σε θέση να μιλάμε για Οπτική Μαζικών Σωματιδίων όπως ηλεκτρονίων, νετρονίων και τέλος ατόμων και εν συντομία περιγράφουμε τα κυριότερα στάδια ανάπτυξης αυτού του τομέα.

Το 1927 οι Ντάβισον και Γκέρμερ και ο Τόμσον έδειξαν την περίθλαση των ηλεκτρονίων ενώ το 1930 οι Εστερμαν και Στερν απέδειξαν την περίθλαση ατόμων από μια κρυσταλλική επιφάνεια. Τα προβλήματα τα οποία αναδείχτηκαν εκείνη την εποχή, ήταν η προετοιμασία μιας πηγής σωματιδίων με υψηλή ένταση και συγκεκριμένη ταχύτητα (μονοχρωματική δέσμη) καθώς και ότι το μήκος κύματος των σωματιδίων ήταν πολύ μικρότερο από το μήκος κύματος του φωτός. Τα ηλεκτρόνια έχουν τα πλεονεκτήματα της μικρότερης μάζας, άρα παρουσιάζουν μεγαλύτερο μήκος Ντε Μπρόγκλι, και της ισχυρής αλληλεπίδρασης με στατικά ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Συνεπώς δεν είναι τυχαίο ότι η οπτική ηλεκτρονίων αναπτύχθηκε πολύ γρήγορα με κλασικά επιτεύγματα το μικροσκόπιο ηλεκτρονίων και τη λιθογραφία ηλεκτρονίων.

Η οπτική νετρονίων άρχισε αμέσως μετά την ανακάλυψη ισχυρών πηγών νετρονίων. Η δυνατότητα περίθλασης νετρονίων μέσα σε κρυστάλλους, οδήγησε στη συμβολομετρία νετρονίων σε μονοκρυστάλλους. Οι ίδιες τεχνικές δοκιμάστηκαν και σε άτομα. Για παράδειγμα το 1951 οι Φρίντμπουργκ και Πάουλ εστίασαν δέσμες ατόμων χρησιμοποιώντας πεδίο μαγνητικού εξαπόλου αλλά η αλληλεπίδραση ήταν τόσο ασθενής που δεν μπορούσε να οδηγήσει σε ανάπτυξη της ατομικής οπτικής. Η χρήση ατομικών σωματιδίων για οπτική έχει αρκετά πλεονεκτήματα γιατί: α) Τα άτομα έχουν πολύ μικρότερο κβαντικό μήκος κύματος. Αρα εξασφαλίζουμε διατάξεις με μεγαλύτερη αναλυτική ικανότητα, καθώς αυτή εξαρτάται από το μήκος κύματος. β) Η οπτική με μαζικά σωμάτια είναι περισσότερο ευαίσθητη στην επίδραση της βαρύτητας ή στην πολυπλοκότητα της εσωτερικής ηλεκτρονικής δομής των ατόμων. Σαν αποτέλεσμα, τα άτομα λειτουργούν σαν αισθητήρες της βαρύτητας. γ) Οι ατομικές δέσμες μπορούν εύκολα να παραχθούν και υπάρχει μεγάλη ποικιλία ατόμων. δ) Μπορούν εύκολα να παραχθούν μονοχρωματικές ατομικές δέσμες με τα ατομικά λέιζερ.

Ενα από τα πρώτα επιτεύγματα της ατομικής οπτικής ήταν η κατασκευή κατόπτρων για δέσμες ατόμων. Πρόκειται για διατάξεις αποτελούμενες από άτομα κινούμενα προς τη διαχωριστική επιφάνεια δύο υλικών τα οποία αλλάζουν διεύθυνση κίνησης ακολουθώντας το νόμο της ανακλάσεως της οπτικής. Υπάρχουν δύο διαφορετικές προσεγγίσεις για να κατασκευαστούν ατομικά κάτοπτρα: α) μέσω ανάκλασης των ατομικών σωματιδίων από επιφάνειες και β) μέσω ανάκλασης από δυναμικά πεδία, που επάγονται από στατικά ή οπτικά ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Οι ανακλάσεις από επιφάνειες είναι αρκετές φορές πολύπλοκες λόγω της εμφάνισης των δυνάμεων Βαν Ντερ Βάαλς γι' αυτό συνήθως προτιμούμε τη δεύτερη περίπτωση.

Μια από τις πρώτες εισηγήσεις για την κατασκευή του ατομικού κατόπτρου έγινε από τους Κουκ και Χιλ το 1982, όπου προτάθηκε η ανάκλαση ατόμων από φευγαλέα κύματα ακτινοβολίας λέιζερ όταν το φως υφίσταται ολική εσωτερική ανάκλαση στη διαχωριστική επιφάνεια μεταξύ κενού και ενός διηλεκτρικού υλικού. Η τεχνική αυτή πραγματοποιήθηκε από τον Ρώσο φυσικό Μπαλίκιν και τους συνεργάτες του το 1988 χρησιμοποιώντας άτομα νατρίου και επιφάνειες χαλαζία. Το 1998 είχαμε την πρόταση ενός νέου τύπου κατόπτρου με χρήση ατόμων Ρίντμπεργκ (δηλαδή ατόμων με πολύ ισχυρές επαγόμενες διπολικές ροπές) όταν αυτά αλληλεπιδρούν με μη ομογενή συνεχή ηλεκτρικά πεδία. Ως ατομικά κάτοπτρα μπορούν, επίσης, να χρησιμοποιηθούν πολύ ισχυρά ανομοιογενή μαγνητικά πεδία τα οποία όμως δεν αποδείχτηκαν αρκετά πρακτικά. Μια προσπάθεια βελτίωσής τους οδήγησε στη χρήση ισχυρών βαθμίδων μαγνητικού πεδίου όπως αυτές εμφανίζονται κοντά στην επιφάνεια μαγνητικών υλικών σαν τις δισκέτες υπολογιστών ή βιντεοταινίες. Αλλά και αυτές οι δομές δεν ήταν απαλλαγμένες από προβλήματα (1998).