Físicos desvendam mistérios do índice de refração

Com informações do IFCO - 12/04/2021

Ilustração da resposta óptica de um meio atômico denso visto pelas teorias tradicionais e pela nova teoria.
[Imagem: ICFO]

Mistérios do índice de refração

A luz muda de velocidade quando se move de um meio para outro.

O efeito é bem conhecido quando se olha um prisma sob o Sol, com as diferentes velocidades das diferentes cores fazendo com que a luz branca se disperse em seus diferentes componentes.

Essa 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.

Mas aí ocorre um fenômeno intrigante: Todos os materiais com índices de refração positivos apresentam valores muito próximos a 1 para a luz visível.

A ciência não sabe se isso é apenas uma coincidência ou se reflete alguma física mais profunda.

Francesco Andreoli e seus colegas do Instituto de Ciências Fotônicas (IFCO), da Espanha, resolveram tentar desvendar esse mistério e acabaram descobrindo outro mistério.

• Batido recorde de índice negativo de refração

Corrigindo os livros didáticos

Os experimentos mostraram que o índice de refração só pode atingir um valor máximo de 1,7, independentemente de quão alta a densidade dos átomos se torne.

Este resultado contesta as teorias convencionais dos livros didáticos, que afirmam que, quanto maior a densidade do material - quanto mais matéria houver numa área -, maior seria a resposta óptica e, portanto, maior seria o índice de refração - o experimento demonstrou que isso não é verdade.

O experimento é complexo porque, para abordar adequadamente o problema da refração da luz é necessário lidar com todos os caminhos complexos que a luz pode percorrer dentro de um meio e a interferência resultante dessa dispersão múltipla.

Essa complexidade significa que cada átomo individual do material recebe uma intensidade local de luz que é muito diferente da intensidade originalmente enviada e que varia dependendo da geometria dos átomos que o cercam.

É aí que reside a fraqueza da teoria hoje ensinada nos livros didáticos: Em vez de lidar com os complexos detalhes dessa granularidade microscópica, essa granularidade e seus efeitos sobre a luz são tipicamente abstraídos. Só que os dados mostraram que a multiplicidade de átomos não atenua a granularidade, de forma que a abstração não é válida.

• Batido recorde de índice negativo de refração

Aqui só falamos de índices de refração positivos. Mas os metamateriais invertem tudo, apresentando índices de refração negativos, que têm outros limites.
[Imagem: Cortesia Vytautas Navikas/EPFL]

Renormalização da desordem

A boa notícia é que Andreoli e seus colegas já encontraram uma teoria alternativa, chamada de grupo de renormalização de desordem forte, para explicar os dados experimentais.

Essa teoria permite capturar a granularidade e vários efeitos de espalhamento de forma simples, mostrando que a resposta óptica de qualquer átomo específico é desproporcionalmente afetada por seu vizinho mais próximo por causa das interações de campo próximo, razão pela qual as teorias de atenuação da granularidade 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 aumenta com a densidade do material.

Assim, não importa o quão alta seja a densidade física dos átomos de um material, a luz de entrada de qualquer frequência verá apenas cerca de 1 átomo de ressonância próxima por comprimento de onda cúbico para se espalhar com eficiência - é isso o que limita o índice de refração ao seu valor máximo de 1,7.

De forma mais ampla, este estudo sugere que a teoria de grupo de renormalização pode constituir uma nova ferramenta versátil para a compreensão do problema do espalhamento múltiplo da luz em meios desordenados de ressonância próxima, incluídos aí os regimes não-linear e quântico.

E também mostra-se promissora para que os cientistas tentem compreender os limites do índice de refração dos materiais comuns e, principalmente, daqueles com interesse tecnológico, começando de baixo para cima, a partir dos átomos individuais dos quais esses materiais são compostos.

• Criado material com índice negativo de refração para a luz visível

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