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개념적으로는 그림이 정확하지는 않지만 빛이 다른 매체로 이동할 때 속도가 바뀌고 다른 색상의 속도가 다르면 흰색 빛이 다른 구성 요소로 분산됨. 이러한 속도 변화는 굴절률과 관련이 있으며, 굴절률은 진공 상태에서 빛의 속도와 매질에서 빛의 속도의 비율을 나타내는 단위 없는 숫자임.

일반적으로 양의 굴절률을 가진 모든 재료는 가시광선에 대해 1에 가까운 값을 가지고, 이것이 우연의 일치인지 더 깊은 물리학을 반영하는지 여부는 설명되지 않았음.

스페인 ICFO의 연구진은 원자의 밀도가 얼마나 높아졌는지에 관계없이 희석된 원자 가스의 굴절률이 최대 1.7에 도달할 수 있는 이유를 조사하고 설명함.

이 결과는 재료가 많을수록 광학 반응과 굴절률이 더 커질 수 있다고 예측하는 기존의 교과서 이론과 대조됨. 문제는 빛의 다중 산란(빛이 매체 내부를 통과할 수 있는 모든 복잡한 경로)과 그로 인한 간섭을 처리해야 함. 이로 인해 각 개별 원자는 들어오는 강도와는 매우 다르고 주변 원자의 기하학에 따라 달라지는 빛의 국소 강도를 볼 수 있음.

이 세분성의 복잡한 미세한 세부 사항을 다루는 대신 교과서는 종종 이 세분성과 빛에 대한 영향을 부드럽게 할 수 있다고 가정함. 반대로 팀은 강력한 무질서 재규격화 군(RG)이라는 이론을 사용하여 간단한 방법으로 세분성과 다중 산란 효과를 캡처할 수 있음. 이 이론은 주어진 원자의 광학적 반응이 근접장 상호 작용으로 인해 가장 가까운 이웃에 의해 불균형적으로 영향을 받는다는 것을 보여줌. 이것이 전형적인 평활 이론이 실패하는 이유임.

근접장 상호 작용의 물리적 효과는 원자 공명 주파수의 불균일한 확장을 생성하는 것이며, 여기서 확장의 양은 밀도에 따라 증가함. 따라서 원자의 물리적 밀도가 아무리 높더라도 모든 주파수의 입사광은 효율적으로 산란하기 위해 입방 파장 당 약 1개의 근 공진 원자만 볼 수 있으며, 이는 굴절률을 최대 값 1.7로 제한함.

보다 광범위하게, 이 연구는 RG 이론이 비선형 및 양자 영역을 포함하여 거의 공명 무질서한 매체에서 빛의 다중 산란 문제를 이해하기 위한 새로운 다목적 도구를 구성할 수 있음을 시사함. 또한 실제 물질의 굴절률 한계를 이해하려는 시도의 가능성을 보여주며, 구성되는 개별 원자에서 상향식으로 시작함.

본 연구 성과는 Physical Review X ("Maximum Refractive Index of an Atomic Medium")에 게재됨