Tak jak samoloty lecące z prędkością naddźwiękową wytwarzają wysięgniki dźwiękowe w kształcie stożka, tak pulsowanie światła może pozostawić za sobą przebudzenie światła w kształcie stożka. Teraz superszybka kamera uchwyciła pierwszy film z tych wydarzeń.
Naukowcy twierdzą, że nowa technologia zastosowana do tego odkrycia może pewnego dnia pozwolić naukowcom na obserwowanie ognia neuronów i obrazowania aktywności na żywo w mózgu.
Nauka za technologią
Kiedy obiekt porusza się w powietrzu, wypycha powietrze przed nim, tworząc fale ciśnienia, które poruszają się z prędkością dźwięku we wszystkich kierunkach. Jeśli obiekt porusza się z prędkością równą lub większą niż dźwięk, wyprzedza te fale ciśnienia. W rezultacie fale ciśnienia z tych pędzących obiektów gromadzą się jeden na drugim, tworząc fale uderzeniowe znane jako bomby dźwiękowe, podobne do grzmotów.
Dźwiękowe wysięgniki są ograniczone do stożkowych obszarów zwanych „stożkami Macha”, które rozciągają się przede wszystkim do tyłu obiektów naddźwiękowych. Podobne zdarzenia obejmują fale dziobowe w kształcie litery V, które łódź może wytwarzać, gdy płynie szybciej niż fale, które wypycha z drogi, poruszając się po wodzie.
Wcześniejsze badania sugerowały, że światło może generować stożkowe przebudzenia podobne do wysięgników dźwiękowych. Teraz, po raz pierwszy, naukowcy zobrazowali te nieuchwytne „fotoniczne stożki Macha”.
Światło porusza się z prędkością około 186 000 mil na sekundę (300 000 kilometrów na sekundę) podczas ruchu przez próżnię. Zgodnie z teorią względności Einsteina nic nie może podróżować szybciej niż prędkość światła w próżni. Jednak światło może poruszać się wolniej niż jego maksymalna prędkość - na przykład światło porusza się przez szkło z prędkością około 60 procent jego maksymalnej prędkości. Rzeczywiście, wcześniejsze eksperymenty spowolniły światło ponad milion razy.
Fakt, że światło może przemieszczać się szybciej w jednym materiale niż w innym, pomógł naukowcom w wytworzeniu fotonicznych stożków Macha. Po pierwsze, główny autor badania Jinyang Liang, inżynier optyczny z Washington University w St. Louis, i jego koledzy zaprojektowali wąski tunel wypełniony mgłą suchego lodu. Tunel ten został umieszczony pomiędzy płytami wykonanymi z mieszanki gumy silikonowej i proszku tlenku glinu.
Następnie naukowcy wystrzelili w tunelu impulsy zielonego światła laserowego - każde trwające tylko 7 pikosekund (trylionowych części sekundy). Impulsy te mogą rozproszyć plamy suchego lodu w tunelu, generując fale świetlne, które mogłyby dostać się do otaczających płyt.
Zielone światło, którego używali naukowcy, podróżowało szybciej w tunelu niż w płytach. Jako taki, gdy impuls laserowy przesuwał się w dół tunelu, pozostawił za sobą stożek wolniej poruszających się nakładających się fal świetlnych w obrębie płyt.
Kamera smugowa
Aby uchwycić wideo z tych nieuchwytnych zdarzeń rozpraszających światło, naukowcy opracowali „kamerę smugową”, która może rejestrować obrazy z prędkością 100 miliardów klatek na sekundę podczas pojedynczej ekspozycji. Ta nowa kamera uchwyciła trzy różne widoki tego zjawiska: jeden, który uzyskał bezpośredni obraz sceny, i dwa, które zarejestrowały czasową informację o wydarzeniach, aby naukowcy mogli zrekonstruować to, co stało się klatka po klatce. Zasadniczo „umieszczają różne kody kreskowe na każdym obrazie, więc nawet jeśli podczas zbierania danych wszystkie zostaną pomieszane, możemy je uporządkować”, powiedział Liang w wywiadzie.
Istnieją inne systemy obrazowania, które mogą rejestrować ultraszybkie zdarzenia, ale systemy te zwykle muszą rejestrować setki lub tysiące ekspozycji takich zjawisk, zanim będą mogły je zobaczyć. Natomiast nowy system może rejestrować ultraszybkie zdarzenia za jednym razem. Służy to do rejestrowania złożonych, nieprzewidywalnych zdarzeń, które mogą się nie powtarzać dokładnie w ten sam sposób za każdym razem, gdy się one zdarzają, jak miało to miejsce w przypadku fotonicznych szyszek Macha, które Liang i jego koledzy zarejestrowali. W takim przypadku drobne plamki, które rozpraszały światło, poruszały się losowo.
Naukowcy stwierdzili, że ich nowa technika może okazać się przydatna w rejestrowaniu ultraszybkich zdarzeń w złożonych kontekstach biomedycznych, takich jak żywe tkanki lub płynąca krew. „Nasza kamera jest wystarczająco szybka, aby obserwować strzelanie neuronów i obrazowanie ruchu na żywo w mózgu”, powiedział Liang dla Live Science. „Mamy nadzieję, że możemy wykorzystać nasz system do badania sieci neuronowych w celu zrozumienia, jak działa mózg”.
Naukowcy opisali swoje odkrycia online 20 stycznia w czasopiśmie Science Advances.
Oryginalny artykuł o Live Science.
