原子晶体的最大折射率 $\unicode{x2013}$ 从量子光学到量子化学

所有已知光学材料的折射率均为量级为一。尽管超高折射率对光学技术具有巨大意义，但关于材料折射率为何普遍较小以及该现象是否根本性的研究甚少。此处，我们研究原子有序排列的折射率随原子密度的变化。在稀薄密度下，该问题属于量子光学范畴，其中原子除通过光散射外互不相互作用。另一方面，当晶格常数与玻尔半径相当时，电子轨道开始重叠，产生量子化学。我们提出了一个最小模型，可统一涵盖这两类区域的折射率理论。一个关键方面是对多重光散射的处理，其在大密度范围内可高度非微扰，这也是传统折射率理论失效的原因。在量子光学区域，我们表明理想光-物质相互作用可具有单模性质，允许纯实折射率随密度以 $(N/V)^{1/3}$ 增长。在量子化学起始处，我们展示了两种物理机制（激发电子隧穿动力学与电子密度-密度关联的累积）如何开启非弹性或空间多模光散射过程，最终将折射率降回量级为一并引入吸收。在化学起始附近，我们的理论预测自然界法则原则上允许超高折射率（$n\sim 30$）、低损耗材料的存在。