Hvorfor er optiske brydningsindekser så små?

Pink Floyds Dark Side of the Moon cover, kåret som det største klassiske rockalbum nogensinde, beregnet til at skildre lysets prisme og spredning i en regnbue som en vis metaforisk symbolik og et lysshow, der aldrig blev fejret. Imidlertid, de var virkelig ikke klar over, at dette billede ville blive brugt af mange til at hjælpe med at illustrere begrebet brydningsindeks, og hvordan lys ændrer hastighed og retning, når det møder et andet medium.

Selvom tegningen konceptuelt ikke var nøjagtig, det formidlede budskabet om, at lys ændrer sin hastighed, når det bevæger sig ind i et andet medie, og at de forskellige hastigheder af forskellige farver får hvidt lys til at spredes i dets forskellige komponenter. Denne ændring i hastighed er relateret til brydningsindekset, et enhedsløst tal, der repræsenterer forholdet mellem lysets hastighed i vakuum og lysets hastighed i et medium.

Generelt, alle materialer med positive brydningsindekser har værdier tæt på 1 for synligt lys. Om dette bare er et tilfælde eller afspejler en dybere fysik er aldrig blevet forklaret.

Nu, i en nylig undersøgelse offentliggjort i Fysisk gennemgang X og fremhævet af redaktionen, ICFO-forskere Francesco Andreoli og ICREA-professor ved ICFO Darrick Chang, i samarbejde med forskere fra Princeton University, University of Chicago og Institut d'Optique, har undersøgt og forklaret, hvorfor brydningsindekset for en fortyndet atomgas kun kan nå en maksimal værdi på 1,7, uanset hvor høj tætheden af ​​atomer bliver.

Dette resultat er i modsætning til konventionelle lærebogsteorier, der forudsiger, at jo mere materiale der er, jo større kan den optiske respons og brydningsindeks være. Udfordringen med at forstå problemet korrekt skal håndtere multipel spredning af lys - alle de komplekse veje, som lys kan krydse inde i et medium - og den resulterende interferens. Dette kan få hvert enkelt atom til at se en lokal intensitet af lys, der er meget anderledes end den intensitet, der sendes ind, og som varierer afhængigt af geometrien af ​​de atomer, der omgiver den. I stedet for at beskæftige sig med de komplekse mikroskopiske detaljer i denne granularitet, Lærebøger antager ofte på en eller anden måde, at denne granularitet og dens virkninger på lys kan udjævnes.

I modsætning, holdene gør brug af en teori, kaldet renormaliseringsgruppe med stærk lidelse (RG), som gør dem i stand til at fange granularitet og flere spredningseffekter på en enkel måde. Denne teori viser, at et givet atoms optiske respons er uforholdsmæssigt påvirket af dets eneste nærmeste nabo på grund af nærfeltsinteraktioner, hvilket er grunden til, at typiske udjævningsteorier mislykkes. Den fysiske effekt af nærfeltsinteraktionerne er at producere en inhomogen udvidelse af atomare resonansfrekvenser, hvor mængden af ​​udvidelse vokser med tæthed. Dermed, uanset hvor høj den fysiske tæthed af atomer er, indkommende lys af enhver frekvens vil kun se omkring 1 næsten-resonant atom pr. kubisk bølgelængde for effektivt at sprede sig, hvilket begrænser brydningsindekset til dets maksimale værdi på 1,7.

Mere generelt, denne undersøgelse tyder på, at RG-teorien kunne udgøre et nyt alsidigt værktøj til at forstå det udfordrende problem med multipel spredning af lys i næsten-resonante forstyrrede medier, herunder i de ikke -lineære og kvanteordninger. Det viser også løftet om at forsøge at forstå grænserne for brydningsindekset for virkelige materialer, startende nedefra og op fra de enkelte atomer, som de er sammensat af.