Giống như máy bay bay ở tốc độ siêu âm tạo ra sự bùng nổ âm thanh hình nón, các xung ánh sáng có thể để lại phía sau những tia sáng hình nón. Giờ đây, một camera siêu tốc đã quay được video đầu tiên về những sự kiện này.
Các nhà nghiên cứu cho biết công nghệ mới được sử dụng để thực hiện khám phá này một ngày nào đó có thể cho phép các nhà khoa học giúp theo dõi các nơ-ron thần kinh và hình ảnh hoạt động sống trong não, các nhà nghiên cứu cho biết.
Khoa học đằng sau công nghệ
Khi một vật thể di chuyển trong không khí, nó đẩy không khí phía trước nó ra xa, tạo ra các sóng áp lực di chuyển với tốc độ âm thanh theo mọi hướng. Nếu đối tượng đang di chuyển với tốc độ bằng hoặc lớn hơn âm thanh, nó sẽ vượt qua các sóng áp suất đó. Do đó, các sóng áp lực từ các vật thể tăng tốc này chồng chất lên nhau để tạo ra các sóng xung kích được gọi là bùng nổ âm thanh, giống như tiếng sấm sét.
Sự bùng nổ âm thanh được giới hạn trong các khu vực hình nón được gọi là "hình nón Mach" kéo dài chủ yếu đến phía sau của các vật thể siêu thanh. Các sự kiện tương tự bao gồm sóng cung hình chữ V mà một chiếc thuyền có thể tạo ra khi di chuyển nhanh hơn sóng mà nó đẩy ra khỏi đường di chuyển trên mặt nước.
Nghiên cứu trước đây cho thấy rằng ánh sáng có thể tạo ra các hình nón tương tự như sự bùng nổ âm thanh. Bây giờ, lần đầu tiên, các nhà khoa học đã chụp được những "nón Mach quang tử" khó nắm bắt này.
ánh sáng truyền đi với tốc độ khoảng 186.000 dặm mỗi giây (300.000 km mỗi giây) khi di chuyển qua chân không. Theo thuyết tương đối của Einstein, không gì có thể đi nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong chân không. Tuy nhiên, ánh sáng có thể truyền chậm hơn tốc độ tối đa của nó - ví dụ, ánh sáng di chuyển qua kính với tốc độ khoảng 60% mức tối đa của nó. Thật vậy, các thí nghiệm trước đây đã làm chậm ánh sáng hơn một triệu lần.
Việc ánh sáng có thể truyền đi nhanh hơn trong một vật liệu so với vật liệu khác đã giúp các nhà khoa học tạo ra các nón Mach quang tử. Đầu tiên, tác giả chính của nghiên cứu Jinyang Liang, một kỹ sư quang học tại Đại học Washington ở St. Louis và các đồng nghiệp của ông đã thiết kế một đường hầm hẹp chứa đầy sương mù băng khô. Đường hầm này được kẹp giữa các tấm làm bằng hỗn hợp cao su silicon và bột oxit nhôm.
Sau đó, các nhà nghiên cứu đã bắn các xung ánh sáng laser màu xanh lá cây - mỗi lần chỉ kéo dài 7 picos giây (một phần nghìn giây) - xuống đường hầm. Những xung này có thể làm phân tán các đốm băng khô trong đường hầm, tạo ra các sóng ánh sáng có thể đi vào các mảng xung quanh.
Ánh sáng xanh mà các nhà khoa học sử dụng đã đi nhanh hơn bên trong đường hầm so với trong các tấm. Như vậy, khi một xung laser di chuyển xuống đường hầm, nó để lại một hình nón gồm các sóng ánh sáng chồng chéo di chuyển chậm phía sau nó trong các tấm.
Camera sọc
Để ghi lại video về các sự kiện tán xạ ánh sáng khó nắm bắt này, các nhà nghiên cứu đã phát triển một "camera sọc" có thể chụp ảnh với tốc độ 100 tỷ khung hình mỗi giây trong một lần phơi sáng. Máy ảnh mới này đã ghi lại ba góc nhìn khác nhau về hiện tượng: một là thu được hình ảnh trực tiếp của cảnh và hai ghi lại thông tin tạm thời về các sự kiện để các nhà khoa học có thể dựng lại những gì xảy ra theo từng khung hình. Về cơ bản, họ "đặt các mã vạch khác nhau trên mỗi hình ảnh riêng lẻ, do đó, ngay cả khi thu thập dữ liệu, chúng được trộn lẫn với nhau, chúng tôi có thể sắp xếp chúng ra", Liang nói trong một cuộc phỏng vấn.
Có những hệ thống hình ảnh khác có thể ghi lại các sự kiện cực nhanh, nhưng những hệ thống này thường cần ghi lại hàng trăm hoặc hàng ngàn lần phơi bày các hiện tượng như vậy trước khi chúng có thể nhìn thấy chúng. Ngược lại, hệ thống mới có thể ghi lại các sự kiện cực nhanh chỉ với một lần phơi sáng. Điều này cho vay để ghi lại các sự kiện phức tạp, không thể đoán trước, có thể không lặp lại chính xác theo cùng một cách mỗi lần chúng xảy ra, như trường hợp với các nón Mach quang tử mà Liang và các đồng nghiệp đã ghi lại. Trong trường hợp đó, các đốm nhỏ tán xạ ánh sáng di chuyển ngẫu nhiên.
Các nhà nghiên cứu cho biết kỹ thuật mới của họ có thể chứng minh hữu ích trong việc ghi lại các sự kiện cực nhanh trong bối cảnh y sinh phức tạp như mô sống hoặc máu chảy. "Máy ảnh của chúng tôi đủ nhanh để theo dõi các nơ-ron thần kinh và hình ảnh giao thông trực tiếp trong não", Liang nói với Live Science. "Chúng tôi hy vọng chúng ta có thể sử dụng hệ thống của mình để nghiên cứu các mạng lưới thần kinh để hiểu cách thức hoạt động của bộ não."
Các nhà khoa học chi tiết phát hiện của họ trực tuyến vào ngày 20 tháng 1 trên tạp chí Science Advances.
Bài viết gốc về Khoa học trực tiếp.
