La copertina di Dark Side of the Moon dei Pink Floyd, votato il più grande album rock classico di tutti i tempi, destinato a ritrarre il prisma e la dispersione della luce in un arcobaleno come un certo simbolismo metaforico e uno spettacolo di luci che non è mai stato celebrato. Però, in realtà non erano consapevoli del fatto che questa immagine sarebbe stata utilizzata da molti per illustrare il concetto di indice di rifrazione e come la luce cambia velocità e direzione quando incontra un mezzo diverso.

Sebbene concettualmente il disegno non fosse accurato, trasmetteva il messaggio che la luce cambia velocità quando si sposta in un altro mezzo, e che le diverse velocità dei diversi colori fanno sì che la luce bianca si disperda nelle sue diverse componenti. Questa variazione di velocità è correlata all'indice di rifrazione, un numero senza unità che rappresenta il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e la velocità della luce in un mezzo.

Generalmente, tutti i materiali con indici di rifrazione positivi hanno valori prossimi a 1 per la luce visibile. Non è mai stato spiegato se questa sia solo una coincidenza o rifletta una fisica più profonda.

Ora, in un recente studio pubblicato su Revisione fisica X ed evidenziato dalla redazione, I ricercatori ICFO Francesco Andreoli e il Prof. ICREA presso ICFO Darrick Chang, in collaborazione con ricercatori della Princeton University, Università di Chicago e Institut d'Optique, hanno studiato e spiegato perché l'indice di rifrazione di un gas atomico diluito può raggiungere solo un valore massimo di 1,7, indipendentemente da quanto alta diventi la densità degli atomi.

Questo risultato è in contrasto con le teorie convenzionali dei libri di testo, che prevedono che più materiale c'è, maggiore può essere la risposta ottica e l'indice di rifrazione. La sfida nella comprensione corretta del problema deve affrontare la diffusione multipla della luce, tutti i percorsi complessi che la luce può attraversare all'interno di un mezzo, e l'interferenza risultante. Ciò può far sì che ogni singolo atomo veda un'intensità di luce locale molto diversa dall'intensità inviata, e che varia a seconda della geometria degli atomi che lo circondano. Invece di occuparsi dei complessi dettagli microscopici di questa granularità, i libri di testo spesso presumono in qualche modo che questa granularità e i suoi effetti sulla luce possano essere appianati.

In contrasto, le squadre si avvalgono di una teoria, chiamato gruppo di rinormalizzazione del disturbo forte (RG), che consente loro di catturare la granularità e molteplici effetti di dispersione in modo semplice. Questa teoria mostra che la risposta ottica di un dato atomo è influenzata in modo sproporzionato dal suo singolo vicino più prossimo a causa delle interazioni di campo vicino, ecco perché le tipiche teorie del livellamento falliscono. L'effetto fisico delle interazioni di campo vicino è di produrre un allargamento disomogeneo delle frequenze di risonanza atomica, dove la quantità di allargamento cresce con la densità. Così, non importa quanto sia alta la densità fisica degli atomi, la luce in entrata di qualsiasi frequenza vedrà solo circa 1 atomo quasi risonante per lunghezza d'onda cubica per disperdersi in modo efficiente, che limita l'indice di rifrazione al suo valore massimo di 1,7.

Più in generale, questo studio suggerisce che la teoria RG potrebbe costituire un nuovo strumento versatile per comprendere l'impegnativo problema della diffusione multipla della luce in mezzi disordinati quasi risonanti, anche nei regimi non lineare e quantistico. Mostra anche la promessa di cercare di capire i limiti dell'indice di rifrazione dei materiali reali, partendo dal basso verso l'alto dai singoli atomi di cui sono composti.