¿Por qué son los índices de refracción ópticos tan pequeños?
Un equipo de científicos describe una nueva teoría que puede explicar por qué los índices de refracción de medios atómicos desordenados tienen valores máximos.
La portada del álbum “Dark Side of the Moon” de Pink Floyd, votado como el mejor álbum de rock clásico de todos los tiempos, retrataba un prisma dispersando la luz en un arco iris con un cierto simbolismo metafórico y un espectáculo de luces. Sin embargo, lo que el grupo nunca imaginó es que muchos usarían esta imagen para ayudar a ilustrar el concepto de índice de refracción de la luz y cómo ésta cambia de velocidad y de dirección cuando se encuentra con un medio diferente.
Aunque conceptualmente el dibujo no sea exacto, transmite el mensaje de que la luz cambia de velocidad al moverse por otro medio, y que las diferentes velocidades de los diferentes colores hacen que la luz blanca se disperse en sus diferentes componentes. Este cambio de velocidad está relacionado con el índice de refracción, un número sin unidades que representa la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en un medio.
En general, todos los materiales con índices de refracción positivos tienen valores cercanos a 1 para la luz visible. Nunca se ha determinado del todo si esto se be únicamente a una coincidencia o refleja conceptos físicos más complejos.
Investigando el valor máximo del índice
En un estudio reciente publicado en la revista Physical Review X y destacado por los editores, los investigadores de ICFO Francesco Andreoli y el profesor ICREA en ICFO Darrick Chang, del proyecto de simulación Quasi-CAT, en colaboración con investigadores de la Universidad de Princeton, la Universidad de Chicago y el Institut d’Optique, han investigado por qué el índice de refracción de un gas atómico diluido tiene un valor máximo de 1,7 independientemente del valor de la densidad de los átomos.
Este resultado contrasta con las teorías convencionales de los libros de texto, que predicen que cuanto más material hay, mayor puede ser la respuesta óptica y el índice de refracción. Para poder afrontar correctamente por qué ocurre esto, se deben tener en cuenta tanto la multiplicidad de la dispersión de la luz – todos los posibles caminos que puede seguir la luz al atravesar un medio – y la interferencia resultante. Esto provoca que cada átomo individual vea una intensidad de luz local, muy diferente a la intensidad enviada, y que varíe en función de la geometría de los átomos que lo rodean. En lugar de tratar con los complejos detalles microscópicos de esta granularidad, los libros de texto a menudo asumen de alguna manera que esta granularidad y sus efectos sobre la luz pueden suavizarse.
La teoría de la re-normalización de desorden fuerte
Por el contrario, el equipo utiliza una teoría, llamada grupo de re-normalización de desorden fuerte (RG), que les permite capturar la granularidad y los efectos de dispersión múltiple de una manera simple. Esta teoría muestra que la respuesta óptica de cualquier átomo se ve desproporcionadamente afectada por su átomo vecino más cercano, debido a las interacciones de campo cercano, razón por la cual fallan las teorías típicas de homogeneidad. El efecto físico de las interacciones de campo cercano es producir un ensanchamiento no homogéneo de las frecuencias de resonancia atómica, donde la cantidad de ensanchamiento crece con la densidad. Por lo tanto, no importa cuán alta sea la densidad física de los átomos; la luz entrante de cualquier frecuencia solo verá aproximadamente 1 átomo casi resonante por longitud de onda cúbica para dispersarse de manera eficiente, lo que limita el índice de refracción a su valor máximo de 1,7.
En términos más generales, este estudio sugiere que la teoría RG podría constituir una nueva herramienta para comprender el problema de la dispersión múltiple de la luz en medios desordenados casi resonantes. Estos medios incluyen también los regímenes no lineales y los cuánticos. La teoría además abre la puerta a estudiar los límites del índice de refracción en materiales reales, empezando por los átomos individuales que los componen.
Más información
Artículo citado: F. Andreoli, M. Gullans, A. A. High, A. Browaeys, and D. Chang. 2021. Maximum Refractive Index of an Atomic Medium. Phys. Rev. X 11, 011026.
Notícia destacada en APS Physics: https://link.aps.org/doi/10.1103/Physics.14.s12