La Videocamera Ultraveloce Acquisisce 'Sonic Booms' Of Light Per La Prima Volta

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Proprio come gli aerei che volano a velocità supersoniche creano bracci sonic a forma di cono, gli impulsi di luce possono lasciare dietro di sé scie di luce a forma di cono. Ora, una fotocamera superveloce ha catturato il primo video di questi eventi.

Proprio come gli aerei che volano a velocità supersoniche creano bracci sonic a forma di cono, gli impulsi di luce possono lasciare dietro di sé scie di luce a forma di cono. Ora, una fotocamera superveloce ha catturato il primo video di questi eventi.

La nuova tecnologia utilizzata per fare questa scoperta potrebbe un giorno consentire agli scienziati di aiutare a guardare i neuroni sparare e l'immagine di attività dal vivo nel cervello, dicono i ricercatori. [Spaventoso! Top 10 fenomeni non spiegati]

La scienza dietro la tecnologia

Quando un oggetto si muove attraverso l'aria, spinge via l'aria davanti a sé, creando onde di pressione che si muovono alla velocità del suono in tutte le direzioni. Se l'oggetto si muove a velocità uguali o maggiori del 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 bombardieri sonici, che sono simili a un tuono.

I boom sonici sono confinati in regioni coniche conosciute come "coni Mach" che si estendono principalmente nella parte posteriore degli oggetti supersonici. Eventi simili includono le onde a prua a forma di V che una barca può generare viaggiando più velocemente rispetto alle onde che spinge fuori dal suo modo di muoversi attraverso l'acqua.

Ricerche precedenti suggerivano che la luce può generare scie coniche simili a boom sonici. Ora, per la prima volta, gli scienziati hanno immaginato questi elusivi "coni di Mach fotonici".

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, gli esperimenti precedenti hanno rallentato la luce più di un milione di volte.

Il fatto che la luce possa viaggiare più velocemente in un materiale rispetto ad un altro ha aiutato gli scienziati a generare coni di Mach fotonici. In primo luogo, l'autore principale dello studio, Jinyang Liang, un ingegnere ottico della Washington University di St. Louis, ei suoi colleghi progettarono uno stretto tunnel pieno di nebbia di ghiaccio secco. Questo tunnel è stato inserito tra le piastre costituite da una miscela di gomma siliconica e polvere di ossido di alluminio.

Poi, 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 placche circostanti.

La luce verde che gli scienziati hanno usato viaggiava più velocemente all'interno del tunnel di quanto non facesse nei piatti. Come tale, quando un impulso laser si spostò lungo il tunnel, lasciò dietro di sé un cono di onde luminose sovrapposte che si muovevano più lentamente all'interno dei piatti.

Usare un

Usando una "macchina a strisce", gli scienziati hanno immaginato una scia di luce a forma di cono chiamata per la prima volta un cono di Mach fotonico.

Credito: Liang et al. Sci. Adv.2017; 3: e1601814

Fotocamera Streak

Per catturare i video di questi sfuggenti eventi di diffusione della luce, i ricercatori hanno sviluppato una "macchina fotografica a strisce" in grado di catturare immagini a una velocità di 100 miliardi di fotogrammi al secondo in un'unica esposizione. Questa nuova fotocamera ha catturato tre diverse visioni del fenomeno: una che ha acquisito un'immagine diretta della scena, e due che hanno registrato le informazioni temporali degli eventi in modo che gli scienziati potessero ricostruire ciò che è accaduto fotogramma per fotogramma. In sostanza, "mettono diversi codici a barre 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 di Mach fotonici che Liang e i suoi colleghi hanno registrato. In quel caso, i piccoli granelli che sparpagliavano la luce si muovevano in modo casuale.

I ricercatori hanno affermato che la loro nuova tecnica potrebbe rivelarsi utile nella registrazione di eventi ultraveloci in complessi contesti biomedici come tessuti viventi o sangue che scorre. "La nostra fotocamera è abbastanza veloce da guardare i neuroni sparare e l'immagine del traffico in diretta nel cervello", ha detto Liang a WordsSideKick.com. "Speriamo di poter utilizzare 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 WordsSideKick.com.


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