Ultrafast Camera Captures 'Sonic Booms' of Light för första gången

Precis som flygplan som flyger med supersoniska hastigheter skapar konformade soniska bommar, kan ljuspulser lämna bakom konformade ljusvakter. Nu har en superfast kamera tagit den första någonsin videoen av dessa händelser.

Den nya tekniken som används för att göra denna upptäckt kan på en dag låta forskare hjälpa till att titta på neuronbrand och bildaktivitet i hjärnan, säger forskare. [Läskigt! Top 10 Unexplained Phenomena]

Vetenskap bakom tekniken

När ett föremål rör sig genom luft, driver det luften framför sig, vilket skapar tryckvågor som rör sig med ljudets hastighet i alla riktningar. Om objektet rör sig med hastigheter som är lika med eller större än ljud, överträffar de dessa tryckvågor. Som ett resultat häller tryckvågorna från dessa hastighetsobjekt upp ovanpå varandra för att skapa chockvågor som är kända som soniska bommar, som liknar klappar av åska.

Soniska bommar är begränsade till koniska områden som kallas "Mach cones" som främst sträcker sig bakom supersoniska föremål. Liknande händelser inkluderar de V-formade bågvågor som en båt kan generera när de reser snabbare än de vågor den skjuter ut ur vägen rör sig över vattnet.

Tidigare forskning föreslog att ljus kan generera koniska vågor som liknar soniska bommar. Nu har forskare för första gången avbildat de här elusiva "fotoniska Mach-konerna".

Ljuset färdas med en hastighet av cirka 186 000 miles per sekund (300 000 kilometer per sekund) när den rör sig genom vakuum. Enligt Einsteins relativitetsteori kan inget resa snabbare än ljusets hastighet i vakuum. Ljuset kan dock resa långsammare än sin högsta hastighet - till exempel rör sig ljuset genom glas med hastigheter på cirka 60 procent av dess maximala. Faktum är att tidigare experiment har sänkt ljuset ner mer än en miljon gånger.

Det faktum att ljuset kan resa snabbare i ett material än i en annan hjälpte forskare att generera fotoniska Mach-koner. Först studieledare författaren Jinyang Liang, en optisk ingenjör vid Washington University i St. Louis, och hans kollegor utformade en smal tunnel fylld med torris dimma. Denna tunnel var sandwichad mellan plattor gjorda av en blandning av silikongummi och aluminiumoxidpulver.

Därefter sparkade forskarna pulser av grönt laserljus - var och en varade bara 7 picoseconds (trillionths of a second) - ner i tunneln. Dessa pulser kunde skryta bort torrfläckarna i tunneln och generera ljusvågor som kunde komma in i de omgivande plattorna.

Det gröna ljuset som forskarna använde reste sig snabbare inuti tunneln än vad de gjorde i tallrikarna. Som en sådan, när en laserpuls rörde sig nerför tunneln, lämnade den en kon med långsammare överlappande ljusvågor bakom den i plattorna.

Streak kamera

För att fånga upp video av dessa smärtsamma ljusspridningsevenemang utvecklade forskarna en "streak-kamera" som kunde ta bilder med en hastighet på 100 miljarder bilder per sekund i en enda exponering. Den här nya kameran fångade tre olika uppfattningar om fenomenet: en som förvärvade en direktbild av scenen och två som spelade in tidsmässig information om händelserna så att forskarna kunde rekonstruera vad som hände ram för ram. I grund och botten "sätter de olika streckkoder på varje enskild bild, så att även om de är blandade ihop under samtalet kan vi sortera dem", sa Liang i en intervju.

Det finns andra bildhanteringssystem som kan fånga ultralätta händelser, men dessa system behöver vanligtvis spela in hundratals eller tusentals exponeringar av sådana fenomen innan de kan se dem. Däremot kan det nya systemet registrera ultrasnabba händelser med bara en exponering. Detta låter sig spela in komplexa oförutsägbara händelser som kanske inte upprepar sig på exakt samma sätt varje gång de händer, som det var fallet med fotoniska Mach-konerna som Liang och hans kollegor spelade in. I så fall flyttade de små sprickorna det spridda ljuset slumpmässigt.

Forskarna sa att deras nya teknik kan vara användbar vid inspelning av ultrasnabba händelser i komplexa biomedicinska sammanhang som levande vävnader eller flytande blod. "Vår kamera är snabb nog för att titta på neuroner och bildtrafik i hjärnan", sa Liang Live Science. "Vi hoppas att vi kan använda vårt system för att studera neurala nätverk för att förstå hur hjärnan fungerar."

Forskarna redogjorde deras fynd online 20 jan i tidskriften Science Advances.