Akkurat som fly som flyr i supersoniske hastigheter skaper kjegleformede soniske bommer, kan lyspulser etterlate seg kegleformede våkner av lys. Nå har et superrask kamera tatt den første videoen noensinne av disse hendelsene.
Den nye teknologien som ble brukt til å oppdage denne oppdagelsen, kan en dag tillate forskere å hjelpe med å se på neuroner som avfyrer og avbilder levende aktivitet i hjernen, sier forskere.
Vitenskap bak teknikken
Når en gjenstand beveger seg gjennom luft, skyver den luften foran seg vekk, og skaper trykkbølger som beveger seg med lydens hastighet i alle retninger. Hvis objektet beveger seg med hastigheter som er større eller større enn lyd, overgår det trykkbølgene. Som et resultat heves trykkbølgene fra disse fartsobjektene oppå hverandre for å skape sjokkbølger kjent som soniske bommer, som ligner på torden klapper.
Sonic bommer er begrenset til koniske regioner kjent som "Mach kjegler" som strekker seg hovedsakelig til baksiden av supersoniske gjenstander. Lignende hendelser inkluderer de V-formede baugbølgene som en båt kan generere når du reiser raskere enn bølgene den skyver ut av sin vei beveger seg over vannet.
Tidligere forskning antydet at lys kan generere koniske våkner som ligner soniske bommer. Nå, for første gang, har forskere avbildet disse unnvikende "fotoniske Mach-kjeglene."
Lyset kjører med en hastighet på rundt 186.000 miles per sekund (300.000 kilometer per sekund) når de beveger seg gjennom vakuum. I følge Einsteins relativitetsteori kan ingenting reise raskere enn lysets hastighet i et vakuum. Imidlertid kan lys reise langsommere enn toppfarten - for eksempel beveger lys seg gjennom glass i hastigheter på omtrent 60 prosent av det maksimale. Faktiske tidligere eksperimenter har redusert lyset mer enn en million ganger.
Det faktum at lys kan bevege seg raskere i ett materiale enn i et annet hjalp forskere til å generere fotoniske Mach-kjegler. Først studerte hovedforfatter Jinyang Liang, en optisk ingeniør ved Washington University i St. Louis, og kollegene hans en smal tunnel fylt med tørr iståke. Denne tunnelen ble klemt mellom plater laget av en blanding av silikongummi og aluminiumoksydpulver.
Deretter fyrte forskerne pulser av grønt laserlys - som bare varte syv pikosekunder (billioner sekund) - ned gjennom tunnelen. Disse pulsene kunne spre flekkene av tørris i tunnelen og generere lysbølger som kunne komme inn i de omkringliggende platene.
Det grønne lyset som forskerne brukte reiste raskere inne i tunnelen enn det gjorde på platene. Som sådan, da en laserpuls beveget seg nedover i tunnelen, etterlot den en kjegle med saktere bevegelige overlappende lysbølger bak seg innenfor platene.
Streak kamera
For å fange video av disse unnvikende lysspredende hendelsene, utviklet forskerne et "streak-kamera" som kunne ta bilder med en hastighet på 100 milliarder bilder per sekund i en enkelt eksponering. Dette nye kameraet fanget tre forskjellige syn på fenomenet: et som skaffet seg et direkte bilde av scenen, og to som registrerte tidsmessig informasjon om hendelsene slik at forskerne kunne rekonstruere det som skjedde ramme for ramme. I hovedsak "legger de forskjellige strekkoder på hvert enkelt bilde, slik at selv om vi under datainnsamlingen er blandet sammen, kan vi sortere dem," sa Liang i et intervju.
Det er andre bildesystemer som kan fange ultrahurtige hendelser, men disse systemene trenger vanligvis å registrere hundrevis eller tusenvis av eksponeringer av slike fenomener før de kan se dem. I kontrast til det, kan det nye systemet registrere ultrahurtige hendelser med bare en enkelt eksponering. Dette egner seg til å registrere komplekse, uforutsigbare hendelser som kanskje ikke gjentar seg på nøyaktig samme måte hver gang de skjer, som tilfellet var med de fotoniske Mach-kjeglene som Liang og kollegene hans spilte inn. I så fall beveget de bittesmå flekkene som spredte lys seg tilfeldig.
Forskerne sa at deres nye teknikk kan vise seg nyttig i registrering av ultrahurtige hendelser i komplekse biomedisinske sammenhenger som levende vev eller rennende blod. "Kameraet vårt er raskt nok til å se nevroner skyte og avbilde live trafikk i hjernen," sa Liang til Live Science. "Vi håper vi kan bruke systemet vårt til å studere nevrale nettverk for å forstå hvordan hjernen fungerer."
Forskerne detaljerte funnene sine på nettet 20. januar i tidsskriftet Science Advances.
Originalartikkel om Live Science.
