Capa do Pink Floyd Dark Side of the Moon, eleito o melhor álbum de rock clássico de todos os tempos, pretendia retratar o prisma e a dispersão da luz em um arco-íris como um certo simbolismo metafórico e um show de luzes que nunca foi celebrado. Contudo, eles realmente não estavam cientes do fato de que esta imagem seria usada por muitos para ajudar a ilustrar o conceito de índice de refração e como a luz muda de velocidade e direção quando encontra um meio diferente.

Embora conceitualmente o desenho não fosse preciso, transmitiu a mensagem de que a luz muda sua velocidade quando se move para outro meio, e que as diferentes velocidades de diferentes cores fazem com que a luz branca se disperse em seus diferentes componentes. Esta mudança na velocidade está relacionada ao índice de refração, um número sem unidade que representa a razão entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz em um meio.

Em geral, todos os materiais com índices de refração positivos têm valores próximos a 1 para a luz visível. Nunca foi explicado se isso é apenas uma coincidência ou reflete alguma física mais profunda.

Agora, em um estudo recente publicado em Revisão Física X e destacado pelos editores, Pesquisadores do ICFO Francesco Andreoli e ICREA Prof. no ICFO Darrick Chang, em colaboração com pesquisadores da Universidade de Princeton, Universidade de Chicago e Institut d'Optique, investigaram e explicaram por que o índice de refração de um gás atômico diluído só pode atingir um valor máximo de 1,7, independentemente de quão alta se torna a densidade dos átomos.

Este resultado está em contraste com as teorias convencionais dos livros didáticos, que prevêem que quanto mais material houver, quanto maior a resposta óptica e o índice de refração podem ser. O desafio de compreender adequadamente o problema tem que lidar com a dispersão múltipla da luz - todos os caminhos complexos que a luz pode percorrer dentro de um meio - e a interferência resultante. Isso pode fazer com que cada átomo individual veja uma intensidade local de luz que é muito diferente da intensidade enviada, e que varia dependendo da geometria dos átomos que o cercam. Em vez de lidar com os detalhes microscópicos complexos dessa granularidade, os livros didáticos freqüentemente presumem de alguma forma que essa granularidade e seus efeitos sobre a luz podem ser suavizados.

Em contraste, as equipes fazem uso de uma teoria, chamado grupo de renormalização de desordem forte (RG), que permite capturar a granularidade e vários efeitos de dispersão de uma forma simples. Esta teoria mostra que a resposta óptica de qualquer átomo dado é desproporcionalmente afetada por seu único vizinho mais próximo por causa das interações de campo próximo, é por isso que as teorias de suavização típicas falham. O efeito físico das interações de campo próximo é produzir um alargamento não homogêneo das frequências de ressonância atômica, onde a quantidade de alargamento cresce com densidade. Assim, não importa quão alta seja a densidade física dos átomos, luz de entrada de qualquer frequência verá apenas cerca de 1 átomo quase ressonante por comprimento de onda cúbico para dispersar com eficiência, que limita o índice de refração ao seu valor máximo de 1,7.

Mais amplamente, este estudo sugere que a teoria RG pode constituir uma nova ferramenta versátil para a compreensão do problema desafiador de espalhamento múltiplo de luz em meios desordenados quase ressonantes, inclusive nos regimes não linear e quântico. Também mostra a promessa de tentar entender os limites do índice de refração de materiais reais, começando de baixo para cima a partir dos átomos individuais de que são compostos.