Ultrasnelle camera legt 'Sonic Booms' van licht vast voor de eerste keer

Net zoals vliegtuigen met supersonische snelheden kegelvormige sonische gieken maken, kunnen lichtpulsen kegelvormige lichtwakes achterlaten. Nu heeft een supersnelle camera de allereerste video van deze gebeurtenissen vastgelegd.

De nieuwe technologie die werd gebruikt om deze ontdekking te doen, zou wetenschappers op een dag kunnen helpen om te zien hoe neuronen vuren en zich een beeld vormen van de actieve activiteit in de hersenen, aldus onderzoekers. [Spookachtig! Top 10 onverklaarde verschijnselen]

Wetenschap achter de technologie

Wanneer een object door de lucht beweegt, stuwt het de lucht ervoor weg en creëert hij drukgolven die bewegen met de snelheid van het geluid in alle richtingen. Als het object beweegt met snelheden die gelijk zijn aan of groter zijn dan het geluid, gaat het voorbij die drukgolven. Dientengevolge stapelen de drukgolven van deze snel bewegende objecten zich op elkaar op om schokgolven te creëren die bekend staan ​​als sonische boomen, die lijken op donderslagen.

Sonische gieken zijn beperkt tot conische gebieden die bekend staan ​​als "Mach kegels" die zich in de eerste plaats uitstrekken tot de achterzijde van supersonische objecten. Vergelijkbare gebeurtenissen omvatten de V-vormige boeggolven die een boot kan genereren wanneer hij sneller vaart dan de golven die hij uit de weg duwt, over het water bewegen.

Eerder onderzoek suggereerde dat licht conische kielzog kan opwekken, vergelijkbaar met sonische knallen. Nu hebben wetenschappers voor het eerst deze ongrijpbare 'fotonische Mach-kegels' afgebeeld.

Licht beweegt met een snelheid van ongeveer 186.000 mijl per seconde (300.000 kilometer per seconde) wanneer het door vacuüm beweegt. Volgens de relativiteitstheorie van Einstein kan niets sneller reizen dan de snelheid van het licht in een vacuüm. Licht kan echter langzamer reizen dan zijn topsnelheid - bijvoorbeeld, licht beweegt door glas met snelheden van ongeveer 60 procent van zijn maximum. Eerdere experimenten hebben inderdaad het licht meer dan een miljoen keer vertraagd.

Het feit dat licht sneller in het ene materiaal kan reizen dan in het andere, heeft wetenschappers geholpen fotonische Mach-kegels te genereren. Eerst studeerde hoofdauteur Jinyang Liang, een optische ingenieur aan de Washington University in St. Louis, en zijn collega's ontwierpen een smalle tunnel gevuld met droge ijsmist. Deze tunnel was ingeklemd tussen platen gemaakt van een mengsel van siliconenrubber en aluminiumoxidepoeder.

Vervolgens vuurden de onderzoekers pulsen groen laserlicht - elk slechts 7 picoseconden (trillionsten van een seconde) - door de tunnel. Deze pulsen kunnen de spikkels droog ijs in de tunnel verstrooien, waardoor er lichtgolven ontstaan ​​die de omringende platen kunnen binnendringen.

Het groene licht dat de wetenschappers gebruikten, reed sneller de tunnel in dan op de platen. Als dusdanig, terwijl een laserpuls door de tunnel omlaag bewoog, liet het een kegel van langzamer bewegende overlappende lichtgolven achter in de platen achter.

Streak camera

Om video's van deze ongrijpbare lichtverstrooiende gebeurtenissen vast te leggen, ontwikkelden de onderzoekers een "streak camera" die met een snelheid van 100 miljard beelden per seconde in één enkele opname foto's kon maken. Deze nieuwe camera heeft drie verschillende weergaven van het fenomeen vastgelegd: een die een direct beeld van de scène heeft gekregen, en twee die tijdelijke informatie van de gebeurtenissen hebben vastgelegd, zodat de wetenschappers konden reconstrueren wat er frame voor frame gebeurde. In wezen hebben ze "verschillende streepjescodes op elk afzonderlijk beeld geplaatst, zodat zelfs als ze tijdens de gegevensverzameling allemaal met elkaar worden gemengd, we ze kunnen opzoeken", zei Liang in een interview.

Er zijn andere beeldvormingssystemen die ultrasnelle gebeurtenissen kunnen vastleggen, maar deze systemen moeten meestal honderden of duizenden blootstellingen van dergelijke verschijnselen opnemen voordat ze ze kunnen zien. Het nieuwe systeem daarentegen kan ultrasnelle gebeurtenissen met slechts één enkele opname opnemen. Dit leent zich voor het opnemen van complexe, onvoorspelbare gebeurtenissen die zich niet telkens op dezelfde manier herhalen elke keer dat ze gebeuren, zoals het geval was met de fotonische Mach-kegels die Liang en zijn collega's opnamen. In dat geval bewogen de kleine stipjes die verstrooid licht willekeurig rondvlogen.

De onderzoekers zeiden dat hun nieuwe techniek nuttig zou kunnen zijn bij het opnemen van ultrasnelle gebeurtenissen in complexe biomedische contexten zoals levende weefsels of stromend bloed. "Onze camera is snel genoeg om neuronen te zien vuren en het live verkeer in de hersenen in beeld te brengen," vertelde Liang aan Live Science. "We hopen dat we ons systeem kunnen gebruiken om neurale netwerken te bestuderen om te begrijpen hoe de hersenen werken."

De wetenschappers hebben hun bevindingen online op 20 januari in het tijdschrift Science Advances gepubliceerd.