Net zoals vliegtuigen die met supersonische snelheden vliegen, kegelvormige sonische gieken creëren, kunnen lichtpulsen kegelvormige lichtwaken 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 in staat kunnen stellen om neuronen te helpen vuren en live-activiteit in de hersenen in beeld te brengen, zeggen onderzoekers.
Wetenschap achter de technologie
Wanneer een object door de lucht beweegt, stuwt het de lucht ervoor weg, waardoor drukgolven ontstaan die met de snelheid van het geluid in alle richtingen bewegen. Als het object beweegt met snelheden gelijk aan of groter dan geluid, overtreft het die drukgolven. Als gevolg hiervan stapelen de drukgolven van deze snel bewegende objecten zich op elkaar op om schokgolven te creëren die bekend staan als sonische knallen, die lijken op donderslag.
Sonische gieken zijn beperkt tot conische gebieden die bekend staan als "Mach-kegels" en die zich voornamelijk uitstrekken tot de achterkant van supersonische objecten. Soortgelijke gebeurtenissen zijn onder meer 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 wekken kan veroorzaken, vergelijkbaar met sonische knallen. Nu hebben wetenschappers voor het eerst deze ongrijpbare "fotonische Mach-kegels" in beeld gebracht.
Licht reist 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 lichtsnelheid in een vacuüm. Licht kan echter langzamer reizen dan de topsnelheid - licht beweegt bijvoorbeeld door glas met snelheden van ongeveer 60 procent van het maximum. Eerdere experimenten hebben het licht inderdaad meer dan een miljoenvoudig vertraagd.
Het feit dat licht in het ene materiaal sneller kan reizen dan in het andere, heeft wetenschappers geholpen fotonische Mach-kegels te genereren. Ten eerste ontwierpen hoofdauteur Jinyang Liang, een optische ingenieur aan de Washington University in St. Louis, en zijn collega's een smalle tunnel gevuld met droogijsmist. Deze tunnel was ingeklemd tussen platen gemaakt van een mengsel van siliconenrubber en aluminiumoxidepoeder.
Vervolgens schoten de onderzoekers pulsen groen laserlicht - elk van slechts 7 picoseconden (biljoensten van een seconde) - door de tunnel. Deze pulsen zouden de spikkels van droog ijs in de tunnel kunnen verspreiden, waardoor lichtgolven zouden kunnen ontstaan die de omringende platen zouden kunnen binnendringen.
Het groene licht dat de wetenschappers gebruikten, reisde sneller door de tunnel dan in de platen. Als zodanig, terwijl een laserpuls door de tunnel bewoog, liet het een kegel van langzamer bewegende overlappende lichtgolven achter in de platen.
Streak camera
Om video van deze ongrijpbare lichtverstrooiingsgebeurtenissen vast te leggen, ontwikkelden de onderzoekers een "streak camera" die beelden kon vastleggen met snelheden van 100 miljard frames per seconde in een enkele belichting. Deze nieuwe camera legde drie verschillende weergaven van het fenomeen vast: één die een direct beeld van de scène opleverde, en twee die tijdelijke informatie van de gebeurtenissen vastlegden, zodat de wetenschappers frame voor frame konden reconstrueren wat er gebeurde. In wezen "zetten ze verschillende streepjescodes op elke individuele afbeelding, zodat we ze zelfs tijdens de gegevensverzameling allemaal met elkaar kunnen vermengen", zei Liang in een interview.
Er zijn andere beeldvormingssystemen die ultrasnelle gebeurtenissen kunnen vastleggen, maar deze systemen moeten meestal honderden of duizenden opnamen van dergelijke verschijnselen vastleggen voordat ze ze kunnen zien. Het nieuwe systeem kan daarentegen ultrasnelle gebeurtenissen opnemen met slechts één enkele belichting. Dit leent zich voor het vastleggen van complexe, onvoorspelbare gebeurtenissen die zich mogelijk niet elke keer op exact dezelfde manier herhalen als ze zich voordoen, zoals het geval was met de fotonische Mach-kegels die Liang en zijn collega's opnamen. In dat geval bewogen de kleine stipjes die het licht verspreidden willekeurig.
De onderzoekers zeiden dat hun nieuwe techniek nuttig zou kunnen zijn bij het vastleggen van ultrasnelle gebeurtenissen in complexe biomedische contexten zoals levend weefsel of stromend bloed. "Onze camera is snel genoeg om neuronen te zien vuren en live verkeer in de hersenen in beeld te brengen," vertelde Liang aan WordsSideKick.com. '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 gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances.
Origineel artikel over WordsSideKick.com.
