La icónica imagen del prisma donde un rayo de luz se dispersa en varios colores, y que ha formado parte de la mítica portada del álbum de de Pink Floyd “Dark side of the Moon”, es una imagen recurrente que se utiliza para ayudar a ilustrar el concepto de índice de refracción y cómo la luz cambia de velocidad y dirección cuando se encuentra con un método diferente.
Aunque conceptualmente el dibujo no es del todo preciso, transmite el mensaje de que la luz cambia su velocidad cuando se mueve a otro medio, y que las diferentes velocidades de diferentes colores hacen que la luz blanca de 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.
La capacidad de confinar, guiar y doblar la luz ha llevado a asombrosos logros tecnológicos en diversos campos como la microscopía, la fotoquímica y las telecomunicaciones. La propiedad habilitadora clave de los materiales que permite el control de la luz es su índice de refracción.
En general, todos los materiales con índices de refracción positivos tienen valores cercanos a 1 para la luz visible. Sorprendentemente, sin embargo, parece faltar una comprensión profunda de los mecanismos que conducen a este comportamiento universal. Además, esta observación es difícil de conciliar con el hecho de que se sabe que un solo átomo aislado tiene una respuesta óptica gigante, caracterizada por una sección transversal de dispersión resonante que excede con crece su tamaño físico.
Ahora, en un estudio publicado en Physical Review X, los investigadores del ICFO Francesco Andreoli y el profesor ICREA del ICFO Darrick Chang, en colaboración con investigadores de la Universidad de Princeton, la Universidad de Chicago y el Instituto de Óptica, han investigado teórica y numéricamente la evolución de las propiedades ópticas de un conjunto de átomos ideales en función de la densidad, a partir del límite de gas diluido, incluidos los efectos de la dispersión múltiples y las interacciones de campo cercano. Curiosamente, a pesar de la respuesta gigante de un átomo aislado, encontraron que el índice máximo no crece indefinidamente con la densidad creciente, sino que alcanza un valor límite de 1,7. Este límite surge puramente de la electrodinámica, ya que ocurre en densidades muy por debajo de aquellas donde los procesos químicos se vuelven importantes.
Este resultado contrasta con las teorías convencionales de libros de texto, que predicen que cuanto más material haya, mayor será la respuesta óptica y el índice de refracción. El desafío de entender adecuadamente el problema tiene que lidiar con la dispersión múltiple de la luz – todos los caminos complejos que la luz puede atravesar dentro de un medio – y la interferencia resultante. Esto puede hacer que cada átomo individual vea una intensidad local de luz que es muy diferente a la intensidad enviada, y que varía dependiendo de la geometría de los átomos que lo rodean. En lugar de lidiar 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 se pueden suavizar.
En contraste, los equipos hacen uso de una teoría, llamada grupo de renormalización de trastorno fuerte (RG), que les permite capturar la granularidad y múltiples efectos de dispersión de una manera simple. Esta teoría muestra que la respuesta óptica de cualquier átomo dado se ve desproporcionadamente afectada por su vecino más cercano debido a las interacciones de campo cercano, por lo que fracasan las teorías típicas de suavizado. El efecto físico de las interacciones de campo cercano es producir una ampliación no homogénea de las frecuencias de resonancia atómica, donde la cantidad de ampliación 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 alrededor de 1 átomo casi resonante por longitud de onda cúbica para dispersarse eficientemente, lo que limita el índice de refracción a su valor máximo de 1,7.
Este mecanismo asegura por tanto que, independientemente de la densidad atómica física, la luz a cualquier frecuencia dada sólo interactúa con, como máximo, unos pocos átomos casi resonantes por longitud de onda cúbica, limitando así el índice máximo alcanzable.
“Nuestro trabajo es un primer paso prometedor para entender los límites del índice de refracción desde una perspectiva física atómica de abajo hacia arriba, y también introduce el grupo de renormalización como una poderosa herramienta para entender el problema generalmente complejo de la dispersión múltiple de luz en general”, señalan los investigadores en el Paper.
