Precis som flygplan som flyger med supersoniska hastigheter skapar konformade soniska bommar, kan ljuspulser lämna efter sig konformade väckningar av ljus. Nu har en supersnabb kamera tagit den första videon av dessa händelser någonsin.
Den nya tekniken som används för att upptäcka denna upptäckt kan en dag låta forskare hjälpa till att titta på neuroner avfyra och avbilda levande aktivitet i hjärnan, säger forskare.
Vetenskap bakom tekniken
När ett föremål rör sig genom luft, driver det luften framför sig och skapar tryckvågor som rör sig med ljudets hastighet i alla riktningar. Om objektet rör sig med hastigheter lika med eller större än ljudet, överskrider det tryckvågorna. Som ett resultat staplas tryckvågorna från dessa snabba föremål ovanpå varandra för att skapa chockvågor kända som soniska bommar, som liknar klundar av åska.
Sonic-bom är begränsade till koniska regioner kända som "Mach-kottar" som sträcker sig främst till baksidan av supersoniska föremål. Liknande händelser inkluderar de V-formade bågvågorna som en båt kan generera när man reser snabbare än de vågor som den skjuter ur sin väg rör sig över vattnet.
Tidigare forskning antydde att ljus kan generera koniska vakningar som liknar soniska bom. Nu, för första gången, har forskare avbildat dessa svårfångade "fotoniska Mach-kottar."
Ljus går med en hastighet av cirka 186 000 miles per sekund (300 000 kilometer per sekund) när den rör sig genom vakuum. Enligt Einsteins relativitetsteori kan ingenting resa snabbare än ljusets hastighet i ett vakuum. Ljus kan emellertid färdas långsammare än dess topphastighet - till exempel rör sig ljuset genom glas med hastigheter på cirka 60 procent av det maximala. Faktum är att tidigare experiment har minskat ljuset mer än en miljon gånger.
Det faktum att ljus kan resa snabbare i ett material än i ett annat hjälpte forskare att generera fotoniska Mach-koner. Först studerade huvudförfattaren Jinyang Liang, en optisk ingenjör vid Washington University i St. Louis, och hans kollegor designade en smal tunnel fylld med torris-dimma. Denna tunnel sattes in mellan plattor gjorda av en blandning av silikongummi och aluminiumoxidpulver.
Sedan sköt forskarna pulser av grönt laserljus - var och en varar bara sju pikosekunder (biljoner sekund) - nerför tunneln. Dessa pulser kunde sprida bort torrisens fläckar i tunneln och generera ljusvågor som kunde komma in i de omgivande plattorna.
Det gröna ljuset som forskarna använde reste sig snabbare inuti tunneln än i plattorna. Som sådan, när en laserpuls rörde sig ner i tunneln, lämnade den en kon av långsammare rörliga överlappande ljusvågor bakom sig inom plattorna.
Streak kamera
För att fånga video av dessa svårfångade ljusspridande händelser utvecklade forskarna en "streak camera" som kunde fånga bilder med en hastighet av 100 miljarder bilder per sekund i en enda exponering. Denna nya kamera fångade tre olika vyer av fenomenet: en som fick en direkt bild av scenen, och två som spelade in temporär information om händelserna så att forskarna kunde rekonstruera vad som hände ram för ram. I huvudsak "sätter de olika streckkoder på varje enskild bild, så att även om vi under datainsamlingen är blandade ihop, kan vi sortera dem," sa Liang i en intervju.
Det finns andra bildbehandlingssystem som kan fånga ultrahastiga händelser, men dessa system behöver vanligtvis registrera hundratals eller tusentals exponeringar av sådana fenomen innan de kan se dem. Däremot kan det nya systemet spela in ultrafasta händelser med bara en enda exponering. Detta låter sig spela in komplexa, oförutsägbara händelser som kanske inte upprepar sig på exakt samma sätt varje gång de händer, som var fallet med de fotoniska Mach-konerna som Liang och hans kollegor spelade in. I så fall rörde de små fläckarna som spridda ljuset slumpmässigt.
Forskarna sa att deras nya teknik kan visa sig vara användbar vid inspelning av ultrahastiga händelser i komplexa biomedicinska sammanhang som levande vävnader eller flödande blod. "Vår kamera är tillräckligt snabb för att titta på nervceller avfyra och bilda live trafik i hjärnan," sa Liang till Live Science. "Vi hoppas att vi kan använda vårt system för att studera neurala nätverk för att förstå hur hjärnan fungerar."
Forskarna detaljerade sina resultat online 20 januari i tidskriften Science Advances.
Originalartikel om Live Science.
