Proprio come gli aerei che volano a velocità supersoniche creano boom sonici a forma di cono, impulsi di luce possono lasciare dietro di sé scie di luce a forma di cono. Ora, una fotocamera superveloce ha catturato il primo video in assoluto di questi eventi.
La nuova tecnologia utilizzata per fare questa scoperta potrebbe un giorno consentire agli scienziati di aiutare i neuroni a sparare e ad immaginare l'attività in diretta nel cervello, affermano i ricercatori.
La scienza dietro la tecnologia
Quando un oggetto si muove attraverso l'aria, spinge via l'aria di fronte a sé, creando onde di pressione che si muovono alla velocità del suono in tutte le direzioni. Se l'oggetto si muove a velocità pari o superiore al suono, supera quelle onde di pressione. Di conseguenza, le onde di pressione di questi oggetti in accelerazione si accumulano l'una sull'altra per creare onde d'urto note come boom sonici, che sono simili ai battiti del tuono.
I boom sonici sono confinati in regioni coniche note come "coni Mach" che si estendono principalmente nella parte posteriore degli oggetti supersonici. Eventi simili includono le onde di prua a forma di V che una barca può generare quando viaggia più veloce delle onde che spinge fuori dal suo cammino muovendosi sull'acqua.
Ricerche precedenti hanno suggerito che la luce può generare scie coniche simili ai boom sonici. Ora, per la prima volta, gli scienziati hanno immaginato questi "coni Mach fotonici" inafferrabili.
La luce viaggia a una velocità di circa 186.000 miglia al secondo (300.000 chilometri al secondo) quando si muove attraverso il vuoto. Secondo la teoria della relatività di Einstein, nulla può viaggiare più veloce della velocità della luce nel vuoto. Tuttavia, la luce può viaggiare più lentamente della sua velocità massima - ad esempio, la luce si muove attraverso il vetro a una velocità di circa il 60 percento del suo massimo. In effetti, esperimenti precedenti hanno rallentato la luce di oltre un milione di volte.
Il fatto che la luce possa viaggiare più velocemente in un materiale che in un altro ha aiutato gli scienziati a generare coni Mach fotonici. In primo luogo, l'autore principale dello studio Jinyang Liang, ingegnere ottico della Washington University di St. Louis, ei suoi colleghi hanno progettato uno stretto tunnel pieno di nebbia di ghiaccio secco. Questo tunnel è stato inserito tra le piastre in una miscela di gomma siliconica e polvere di ossido di alluminio.
Quindi, i ricercatori hanno sparato impulsi di luce laser verde - ciascuno della durata di soli 7 picosecondi (trilioni di secondo) - lungo il tunnel. Questi impulsi potrebbero disperdere i granelli di ghiaccio secco all'interno del tunnel, generando onde luminose che potrebbero entrare nelle piastre circostanti.
La luce verde che gli scienziati hanno utilizzato ha viaggiato più velocemente all'interno del tunnel rispetto a quanto facesse nelle piastre. Come tale, quando un impulso laser si muoveva lungo il tunnel, lasciava un cono di onde di luce sovrapposte a movimento più lento dietro di esso all'interno delle piastre.
Streak camera
Per catturare video di questi eventi di diffusione della luce inafferrabili, i ricercatori hanno sviluppato una "fotocamera a strisce" in grado di catturare immagini a velocità di 100 miliardi di fotogrammi al secondo in una singola esposizione. Questa nuova macchina fotografica ha catturato tre diverse visioni del fenomeno: una che ha acquisito un'immagine diretta della scena e due che hanno registrato informazioni temporali sugli eventi in modo che gli scienziati potessero ricostruire ciò che accadeva fotogramma per fotogramma. In sostanza, "inseriscono codici a barre diversi su ogni singola immagine, in modo che anche se durante l'acquisizione dei dati sono tutti mescolati insieme, possiamo risolverli", ha detto Liang in un'intervista.
Esistono altri sistemi di imaging in grado di catturare eventi ultraveloci, ma questi sistemi di solito devono registrare centinaia o migliaia di esposizioni di tali fenomeni prima che possano vederli. Al contrario, il nuovo sistema può registrare eventi ultraveloci con una sola esposizione. Questo si presta a registrare eventi complessi e imprevedibili che potrebbero non ripetersi esattamente nello stesso modo ogni volta che accadono, come nel caso dei coni fotonici Mach che Liang e i suoi colleghi hanno registrato. In quel caso, i piccoli granelli che spargevano la luce si muovevano in modo casuale.
I ricercatori hanno affermato che la loro nuova tecnica potrebbe rivelarsi utile per la registrazione di eventi ultraveloci in contesti biomedici complessi come i tessuti viventi o il flusso di sangue. "La nostra fotocamera è abbastanza veloce da guardare i neuroni che si accendono e immagina il traffico in diretta nel cervello", ha detto Liang a Live Science. "Speriamo di poter usare il nostro sistema per studiare le reti neurali per capire come funziona il cervello".
Gli scienziati hanno dettagliato i loro risultati online il 20 gennaio sulla rivista Science Advances.
Articolo originale su Live Science.
