Couverture de Dark Side of the Moon de Pink Floyd, élu le plus grand album de rock classique de tous les temps, destiné à représenter le prisme et la dispersion de la lumière dans un arc-en-ciel comme un certain symbolisme métaphorique et un spectacle de lumière qui n'a jamais été célébré. Cependant, ils n'étaient vraiment pas conscients du fait que cette image serait utilisée par beaucoup pour aider à illustrer le concept d'indice de réfraction et comment la lumière change de vitesse et de direction lorsqu'elle rencontre un milieu différent.

Bien que conceptuellement le dessin n'était pas précis, il a transmis le message que la lumière change de vitesse lorsqu'elle se déplace dans un autre milieu, et que les différentes vitesses des différentes couleurs provoquent la dispersion de la lumière blanche dans ses différents composants. Ce changement de vitesse est lié à l'indice de réfraction, un nombre sans unité qui représente le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide et la vitesse de la lumière dans un milieu.

En général, tous les matériaux à indices de réfraction positifs ont des valeurs proches de 1 pour la lumière visible. Que ce soit juste une coïncidence ou qu'il reflète une physique plus profonde n'a jamais été expliqué.

Maintenant, dans une étude récente publiée dans Examen physique X et mis en avant par les éditeurs, Les chercheurs ICFO Francesco Andreoli et ICREA Prof. à ICFO Darrick Chang, en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Princeton, Université de Chicago et Institut d'Optique, ont étudié et expliqué pourquoi l'indice de réfraction d'un gaz atomique dilué ne peut atteindre qu'une valeur maximale de 1,7, quelle que soit la hauteur de la densité d'atomes.

Ce résultat est en contraste avec les théories classiques des manuels scolaires, qui prédisent que plus il y a de matière, plus la réponse optique et l'indice de réfraction peuvent être grands. Le défi pour bien comprendre le problème doit faire face à la diffusion multiple de la lumière - tous les chemins complexes que la lumière peut traverser à l'intérieur d'un milieu - et les interférences qui en résultent. Cela peut amener chaque atome à voir une intensité lumineuse locale très différente de l'intensité envoyée, et qui varie en fonction de la géométrie des atomes qui l'entourent. Au lieu de traiter les détails microscopiques complexes de cette granularité, les manuels supposent souvent d'une manière ou d'une autre que cette granularité et ses effets sur la lumière peuvent être lissés.

En revanche, les équipes s'appuient sur une théorie, appelé groupe de renormalisation des troubles forts (RG), ce qui leur permet de capturer la granularité et les effets de diffusion multiples de manière simple. Cette théorie montre que la réponse optique d'un atome donné est affectée de manière disproportionnée par son unique voisin le plus proche en raison des interactions en champ proche, c'est pourquoi les théories de lissage typiques échouent. L'effet physique des interactions en champ proche est de produire un élargissement inhomogène des fréquences de résonance atomique, où la quantité d'élargissement croît avec la densité. Ainsi, quelle que soit la densité physique des atomes, la lumière entrante de n'importe quelle fréquence ne verra qu'environ 1 atome proche de la résonance par longueur d'onde cubique pour se disperser efficacement, qui limite l'indice de réfraction à sa valeur maximale de 1,7.

Plus généralement, cette étude suggère que la théorie RG pourrait constituer un nouvel outil polyvalent pour comprendre le problème difficile de la diffusion multiple de la lumière dans les milieux désordonnés proches de la résonance, y compris dans les régimes non linéaire et quantique. Il montre également la promesse d'essayer de comprendre les limites de l'indice de réfraction des matériaux réels, commençant de bas en haut à partir des atomes individuels qui les composent.