Aivan kuten yliäänenopeudella lentävät ilma-alukset luovat kartion muotoisia äänipuomia, valopulssit voivat jättää kartion muotoisia valon herätyksiä taakse. Nyt supernopea kamera on kuvannut kaikkien aikojen ensimmäisen videon näistä tapahtumista.
Tutkimuksen mukaan uusi keksintö, jota käytettiin tämän löytön tekemiseen, voisi tiedemiesten auttaa yhtenä päivänä seuraamaan hermosolujen tulipaloa ja kuvaamaan aivojen elävää toimintaa.
Tiede tekniikan takana
Kun esine liikkuu ilman läpi, se työntää sen edessä olevan ilman poispäin muodostaen paineaaltoja, jotka liikkuvat äänen nopeudella kaikkiin suuntiin. Jos esine liikkuu yhtä suurella tai suuremmalla nopeudella kuin ääni, se ylittää nämä paineaallot. Seurauksena näiden ylinopeutta aiheuttavien esineiden paineaaltojen kasaantuminen toistensa päälle muodostavat ääni-puomiksi kutsuttuja iskuaaltoja, jotka ovat samanlaisia kuin ukkosnapit.
Äänipuomit rajoittuvat kartiomaisiin alueisiin, joita kutsutaan "Mach-kartioiksi" ja jotka ulottuvat pääasiassa yliäänisten esineiden takaosaan. Samankaltaisia tapahtumia ovat V-muotoiset keula-aallot, joita vene voi tuottaa matkalla nopeammin kuin aallot, jotka se työntää pois tieltään, liikkuvan veden yli.
Aikaisemmat tutkimukset ehdottivat, että valo voi tuottaa äänipuomien kaltaisia kartiomaisia herätyksiä. Nyt ensimmäistä kertaa tutkijat ovat kuvanneet nämä vaikeat "fotoniset Mach-kartiot".
Valo liikkuu nopeudella noin 186 000 mailia sekunnissa (300 000 kilometriä sekunnissa), kun se liikkuu tyhjiössä. Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan mikään ei voi kulkea nopeammin kuin valon nopeus tyhjiössä. Valo voi kuitenkin kulkea hitaammin kuin sen huippunopeus - esimerkiksi valo liikkuu lasin läpi nopeudella, joka on noin 60 prosenttia maksimista. Aikaisemmat kokeet ovat todellakin hidastaneet valoa yli miljoona kertaa.
Se, että valo voi kulkea nopeammin yhdessä materiaalissa kuin toisessa, auttoi tutkijoita tuottamaan fotonisia Mach-kartioita. Ensinnäkin, tutkimuksen johtava kirjailija Jinyang Liang, optinen insinööri Washingtonin yliopistossa St. Louisissa, ja hänen kollegansa suunnittelivat kapean tunnelin, joka oli täynnä kuivaa jääsumua. Tämä tunneli kerrostettiin levyjen väliin, jotka oli valmistettu silikonikumin ja alumiinioksidijauheen seoksesta.
Sitten tutkijat ampuivat vihreän laservalon pulsseja - jokainen kestää vain 7 pikosekuntia (biljoonaosaa sekunnista) - tunnelin alapuolelle. Nämä pulssit voisivat sirotella pois kuivajään pisteistä tunnelissa, tuottaen valoaaltoja, jotka voivat päästä ympäröiville levyille.
Vihreä valo, jota tutkijat käyttivät, kulki tunnelin sisällä nopeammin kuin levyissä. Sellaisenaan, kun laserpulssi liikkui tunnelista alas, se jätti hitaammin liikkuvien päällekkäisten valoaaltojen kartion taakse levyjen sisällä.
Streak camera
Videon sieppaamiseksi näistä vaikeasti valoa siruttavista tapahtumista tutkijat kehittivät "viivakameran", joka pystyi ottamaan kuvia nopeudella 100 miljardia kuvaa sekunnissa yhdessä valotuksessa. Tämä uusi kamera otti kolme erilaista näkemystä ilmiöstä: yksi, joka sai suoran kuvan kohtauksesta, ja kaksi, joka tallensi tapahtumien ajallisen informaation, jotta tutkijat voisivat rekonstruoida tapahtuneen kehyksittäin. Pohjimmiltaan ne "laittavat erilaisia viivakoodeja jokaiselle yksittäiselle kuvalle, niin että vaikka tiedonkeruun aikana ne kaikki sekoitettaisiin, voimme lajitella ne", Liang sanoi haastattelussa.
On muitakin kuvantamisjärjestelmiä, jotka voivat tallentaa erittäin nopeita tapahtumia, mutta näiden järjestelmien on yleensä tallennettava satoja tai tuhansia valotuksia tällaisista ilmiöistä ennen kuin he voivat nähdä ne. Sen sijaan uusi järjestelmä voi tallentaa erittäin nopeita tapahtumia yhdellä valotuksella. Tämä tallentaa monimutkaisia, ennakoimattomia tapahtumia, jotka eivät välttämättä toista itseään täsmälleen samalla tavalla joka kerta, kun ne tapahtuvat, kuten tapahtui fotonisten Mach-kartioiden kanssa, jotka Liang ja hänen kollegansa nauhoittivat. Siinä tapauksessa valon sironneet pienet täplät liikkuivat satunnaisesti.
Tutkijoiden mukaan heidän uusi tekniikka voi osoittautua hyödylliseksi ultranopeiden tapahtumien tallentamisessa monimutkaisissa biolääketieteellisissä yhteyksissä, kuten elävät kudokset tai virtaava veri. "Kameramme on tarpeeksi nopea seuraamaan hermosolujen tulipaloa ja kuvaamaan aivojen reaaliaikaista liikennettä", Liang kertoi Live Science: lle. "Toivomme, että voimme käyttää järjestelmäämme hermoverkkojen tutkimiseen ymmärtääksemme aivojen toimintaa."
Tutkijat esittivät yksityiskohdat havainnoistaan verkossa 20. tammikuuta Science Advances -lehdessä.
Alkuperäinen artikkeli elävästä tiedestä.
