Tako kot letala, ki letijo z nadzvočno hitrostjo, ustvarijo stožčaste zvočne strehe v obliki stožčastih žarkov, lahko svetlobni impulzi za seboj puščajo stožčaste budne svetlobe. Zdaj je zelo hitra kamera posnela prvi video posnetek teh dogodkov.
Nova tehnologija, uporabljena za to odkritje, bi lahko nekega dne znanstvenikom pomagala opazovati nevrone, ki streljajo in slikajo živo aktivnost v možganih, pravijo raziskovalci.
Znanost, ki stoji za tehnologijo
Ko se predmet premika po zraku, potisne zrak pred seboj in ustvari tlačne valove, ki se gibljejo s hitrostjo zvoka v vse smeri. Če se objekt premika s hitrostmi, enakimi ali večjimi od zvoka, to izbije te tlačne valove. Kot rezultat, se tlačni valovi teh hitrostnih predmetov naberejo drug na drugega, da ustvarijo udarne valove, znane kot zvočni streli, ki so podobni gromovskim udarcem.
Sonic ogrodja so omejena na stožčaste predele, znane kot "Machove stožce", ki segajo predvsem na zadnji del nadzvočnih objektov. Podobni dogodki vključujejo loke v obliki črke V, ki jih lahko čoln ustvari, ko potuje hitreje, kot valovi, ki jih potisne s poti, se premikajo po vodi.
Prejšnje raziskave so nakazovale, da lahko svetloba ustvari stožčaste budnosti, podobne zvočnim izboklinam. Zdaj so znanstveniki prvič predstavljali te nedostopne "fotonske Machove stožce."
Svetloba potuje s hitrostjo približno 186.000 milj na sekundo (300.000 kilometrov na sekundo), ko se premika skozi vakuum. Po teoriji relativnosti Einstein nič ne more potovati hitreje od hitrosti svetlobe v vakuumu. Vendar lahko svetloba potuje počasneje od svoje največje hitrosti - na primer svetloba se giblje skozi steklo s hitrostjo približno 60 odstotkov svoje največje hitrosti. Dejansko so prejšnji poskusi svetlobo upočasnili več kot milijonkrat.
Dejstvo, da lahko svetloba potuje hitreje v enem materialu kot v drugem, je znanstvenikom pomagalo ustvariti fotonske Machove stožce. Najprej vodilni avtor študije Jinyang Liang, inženir optike na Washingtonski univerzi v St. Louisu, in njegovi sodelavci so zasnovali ozek tunel, napolnjen s suho ledeno meglo. Ta predor je bil zasidran med ploščami, narejenimi iz mešanice silikonske gume in aluminijevega oksida v prahu.
Nato so raziskovalci sprožili impulze zelene laserske svetlobe - vsak traja le 7 pikosekund (trilijone sekunde sekunde) - po tunelu. Ti impulzi bi lahko razpršili delce suhega ledu znotraj tunela in ustvarili svetlobne valove, ki bi lahko vstopili v okoliške plošče.
Zelena luč, ki so jo uporabili znanstveniki, je v tunelu potovala hitreje kot v ploščah. Ko se je laserski impulz premikal po tunelu, je znotraj plošč pustil stožec počasi premikajočih se prekrivajočih se svetlobnih valov.
Streak kamera
Za snemanje videoposnetkov teh nedostopnih svetlobnih dogodkov so raziskovalci razvili "streak kamero", ki bi lahko posnela slike s hitrostjo 100 milijard sličic na sekundo v eni izpostavljenosti. Ta nova kamera je zajela tri različne poglede na pojav: enega, ki je dobil neposredno sliko prizora, in dveh, ki je zabeležil časovne informacije o dogodkih, tako da so znanstveniki lahko rekonstruirali, kaj se je zgodilo kader. V bistvu "na vsako posamično sliko" dajo različne črtne kode, tako da tudi če se med zbiranjem podatkov vsi mešajo skupaj, jih lahko razvrstimo, "je v intervjuju povedal Liang.
Obstajajo drugi slikovni sistemi, ki lahko zajamejo zelo hitre dogodke, vendar morajo ti sistemi zabeležiti na stotine ali tisoče izpostavljenosti takšnih pojavov, preden jih lahko vidijo. Nasprotno pa novi sistem lahko beleži izjemno hitre dogodke le z eno osvetlitvijo. Tako si lahko snemamo zapletene, nepredvidljive dogodke, ki se vsakič, ko se zgodijo, ne bodo ponovili povsem enako, kot je to veljalo za fotonske Machove stožce, ki so jih zabeležili Liang in njegovi sodelavci. V tem primeru so se drobne pike, ki so razpršile svetlobo, gibale naključno.
Raziskovalci so povedali, da se lahko njihova nova tehnika izkaže za uporabno pri snemanju ultra hitrih dogodkov v zapletenih biomedicinskih okoliščinah, kot so živa tkiva ali pretočna kri. "Naša kamera je dovolj hitra, da lahko opazujemo, kako nevroni streljajo in slikajo možganski promet v živo," je Liang povedal Live Science. "Upamo, da bomo lahko uporabili naš sistem za preučevanje nevronskih mrež, da bi razumeli, kako možgani delujejo."
Znanstveniki so svoje ugotovitve podrobno objavili na spletu 20. januarja v reviji Science Advances.
Izvirni članek o Live Science.
