La fel cum aeronavele care zboară cu viteze supersonice creează boom-uri sonice în formă de con, impulsurile de lumină pot lăsa în urmă treziri de lumină în formă de con. Acum, o cameră super-rapidă a surprins primul videoclip al acestor evenimente.
Noua tehnologie folosită pentru a face această descoperire ar putea permite într-o bună zi oamenii de știință să ajute la supravegherea neuronilor și la imaginea activității vii în creier, spun cercetătorii.
Știința din spatele tehnologiei
Când un obiect se mișcă prin aer, el propulsează aerul din fața sa, creând unde de presiune care se mișcă cu viteza sunetului în toate direcțiile. Dacă obiectul se mișcă la viteze egale sau mai mari decât sunetul, acesta depășește undele de presiune. Drept urmare, undele de presiune din aceste obiecte care se accelerează se acumulează una peste alta pentru a crea valuri de șoc cunoscute sub numele de boom-uri sonice, care sunt asemănătoare cu lovituri de tunet.
Boom-urile sonice se limitează la regiunile conice cunoscute sub numele de "conuri Mach", care se extind în primul rând în spatele obiectelor supersonice. Evenimente similare includ undele de arc în formă de V pe care o barcă le poate genera atunci când călătorește mai repede decât undele pe care le împinge din drum se deplasează peste apă.
Cercetările anterioare au sugerat că lumina poate genera veghe conice similare cu boom-urile sonice. Acum, pentru prima dată, oamenii de știință au imaginat aceste "conuri Mach fotonice" evazive.
Lumina călătorește cu o viteză de aproximativ 186.000 de mile pe secundă (300.000 de kilometri pe secundă) atunci când se deplasează prin vid. Conform teoriei relativității lui Einstein, nimic nu poate călători mai repede decât viteza luminii în vid. Cu toate acestea, lumina poate circula mai lent decât viteza maximă - de exemplu, lumina se deplasează prin sticlă la viteze de aproximativ 60% din valoarea maximă. Într-adevăr, experimentele anterioare au redus lumina de mai mult de un milion de ori.
Faptul că lumina poate călători mai repede într-un material decât în altul i-a ajutat pe oamenii de știință să genereze conuri Mach fotonice. În primul rând, autorul principal al studiului Jinyang Liang, un inginer optic la Universitatea Washington din St. Louis, și colegii săi au proiectat un tunel îngust, plin de ceață uscată de gheață. Acest tunel a fost confecționat între plăci dintr-un amestec de cauciuc siliconic și pudră de oxid de aluminiu.
Apoi, cercetătorii au tras impulsuri de lumină verde cu laser - fiecare durand doar 7 picosecunde (miliarde de secunde) - în tunel. Aceste impulsuri ar putea împrăștia pete de gheață uscată în tunel, generând valuri de lumină care ar putea intra în plăcile înconjurătoare.
Lumina verde pe care oamenii de știință au folosit-o a călătorit mai rapid în tunel decât a făcut-o în farfurii. Ca atare, pe măsură ce un impuls laser s-a deplasat în josul tunelului, a lăsat în spatele plăcilor un con de undele luminoase suprapuse cu mișcare mai lentă.
Streak camera
Pentru a surprinde videoclipuri cu aceste evenimente evazive de împrăștiere a luminii, cercetătorii au dezvoltat o „cameră cu bandă” care ar putea captura imagini la viteze de 100 de miliarde de cadre pe secundă într-o singură expunere. Această nouă cameră a surprins trei puncte de vedere diferite ale fenomenului: una care a dobândit o imagine directă a scenei și două care au înregistrat informații temporale ale evenimentelor, astfel încât oamenii de știință să poată reconstrui ceea ce s-a întâmplat cadru cu cadru. În esență, „pun coduri de bare diferite pe fiecare imagine individuală, astfel încât, chiar dacă în timpul achiziției de date sunt toate amestecate, le putem sorta”, a spus Liang într-un interviu.
Există și alte sisteme de imagistică care pot capta evenimente ultrarapide, dar aceste sisteme trebuie de obicei să înregistreze sute sau mii de expuneri ale unor astfel de fenomene înainte de a le putea vedea. În schimb, noul sistem poate înregistra evenimente ultrarapide cu o singură expunere. Acest lucru se pretează la înregistrarea unor evenimente complexe, imprevizibile, care s-ar putea să nu se repete exact în aceeași manieră de fiecare dată când se întâmplă, așa cum s-a întâmplat cu conurile Mach fotonice pe care Liang și colegii săi le-au înregistrat. În acest caz, micile picături care împrăștiau lumina se deplasau la întâmplare.
Cercetătorii au spus că noua lor tehnică s-ar putea dovedi utilă în înregistrarea evenimentelor ultrarapide în contexte biomedicale complexe, cum ar fi țesuturile vii sau sângele care curge. "Camera noastră este suficient de rapidă pentru a urmări neuronii să tragă și să imagineze traficul viu în creier", a spus Liang pentru Știința Live. "Sperăm că ne putem folosi sistemul pentru a studia rețelele neuronale pentru a înțelege cum funcționează creierul."
Oamenii de știință și-au detaliat rezultatele online pe 20 ianuarie în revista Science Advances.
Articolul original despre știința în direct.
