Físicos desvendam mistérios do índice de refração

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.
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.