Assim como as aeronaves que voam em velocidades supersônicas criam barulhos sônicos em forma de cone, os pulsos de luz podem deixar para trás ondas de luz em forma de cone. Agora, uma câmera super rápida capturou o primeiro vídeo desses eventos.
A nova tecnologia usada para fazer essa descoberta poderá um dia permitir que os cientistas ajudem a assistir os neurônios dispararem e imaginarem a atividade ao vivo no cérebro, dizem os pesquisadores.
Ciência por trás da tecnologia
Quando um objeto se move através do ar, ele impulsiona o ar à sua frente, criando ondas de pressão que se movem à velocidade do som em todas as direções. Se o objeto estiver se movendo a velocidades iguais ou superiores ao som, ele ultrapassa essas ondas de pressão. Como resultado, as ondas de pressão desses objetos em alta velocidade se acumulam umas sobre as outras para criar ondas de choque conhecidas como explosões sônicas, que são semelhantes a trovões.
Lanças sônicas são confinadas a regiões cônicas conhecidas como "cones Mach" que se estendem principalmente para a parte traseira de objetos supersônicos. Eventos semelhantes incluem as ondas de proa em forma de V que um barco pode gerar quando viaja mais rápido do que as ondas que empurra para fora do caminho e se movem pela água.
Pesquisas anteriores sugeriram que a luz pode gerar acordes cônicos semelhantes aos booms sônicos. Agora, pela primeira vez, os cientistas fotografaram esses indescritíveis "cones Mach fotônicos".
A luz viaja a uma velocidade de cerca de 300.000 quilômetros por segundo (300.000 quilômetros por segundo) quando se move pelo vácuo. Segundo a teoria da relatividade de Einstein, nada pode viajar mais rápido que a velocidade da luz no vácuo. No entanto, a luz pode viajar mais lentamente do que sua velocidade máxima - por exemplo, a luz se move através do vidro a velocidades de cerca de 60% da sua máxima. De fato, experimentos anteriores diminuíram a luz mais de um milhão de vezes.
O fato de a luz poder viajar mais rápido em um material do que em outro ajudou os cientistas a gerar cones machos fotônicos. Primeiro, o principal autor do estudo, Jinyang Liang, engenheiro óptico da Universidade de Washington em St. Louis, e seus colegas projetaram um túnel estreito cheio de névoa de gelo seco. Este túnel foi ensanduichado entre placas feitas de uma mistura de borracha de silicone e óxido de alumínio em pó.
Em seguida, os pesquisadores dispararam pulsos de luz verde a laser - cada um com duração de apenas 7 picossegundos (trilionésimos de segundo) - pelo túnel. Esses pulsos podem espalhar as partículas de gelo seco dentro do túnel, gerando ondas de luz que podem entrar nas placas circundantes.
A luz verde usada pelos cientistas viajou mais rápido dentro do túnel do que nas placas. Como tal, quando um pulso de laser se moveu pelo túnel, deixou um cone de ondas de luz sobrepostas de movimento mais lento atrás dele dentro das placas.
Streak camera
Para capturar vídeo desses eventos indescritíveis de dispersão da luz, os pesquisadores desenvolveram uma "câmera raia" que podia capturar imagens a velocidades de 100 bilhões de quadros por segundo em uma única exposição. Essa nova câmera capturou três visões diferentes do fenômeno: uma que adquiriu uma imagem direta da cena e duas que registraram informações temporais dos eventos para que os cientistas pudessem reconstruir o que aconteceu quadro a quadro. Essencialmente, eles "colocam códigos de barras diferentes em cada imagem individual, para que, mesmo que durante a aquisição de dados sejam todos misturados, possamos resolvê-los", disse Liang em entrevista.
Existem outros sistemas de imagem que podem capturar eventos ultrarrápidos, mas esses sistemas geralmente precisam registrar centenas ou milhares de exposições desses fenômenos antes que possam vê-los. Por outro lado, o novo sistema pode gravar eventos ultra-rápidos com apenas uma única exposição. Isso se presta a registrar eventos complexos e imprevisíveis que podem não se repetir exatamente da mesma maneira cada vez que ocorrem, como foi o caso dos cones fotônicos Mach que Liang e seus colegas registraram. Nesse caso, as pequenas manchas que dispersavam a luz se moviam aleatoriamente.
Os pesquisadores disseram que sua nova técnica pode ser útil no registro de eventos ultrarrápidos em contextos biomédicos complexos, como tecidos vivos ou sangue circulante. "Nossa câmera é rápida o suficiente para assistir os neurônios dispararem e imaginar o tráfego ao vivo no cérebro", disse Liang à Live Science. "Esperamos poder usar nosso sistema para estudar redes neurais para entender como o cérebro funciona".
Os cientistas detalharam suas descobertas on-line em 20 de janeiro na revista Science Advances.
Artigo original da Live Science.
