So wie Flugzeuge, die mit Überschallgeschwindigkeit fliegen, kegelförmige Schallknalle erzeugen, können Lichtimpulse kegelförmige Lichtspuren hinterlassen. Jetzt hat eine superschnelle Kamera das erste Video dieser Ereignisse aufgenommen.
Die neue Technologie, mit der diese Entdeckung gemacht wurde, könnte es Wissenschaftlern eines Tages ermöglichen, Neuronen beim Feuern zu beobachten und Live-Aktivitäten im Gehirn abzubilden, sagen Forscher.
Wissenschaft hinter der Technik
Wenn sich ein Objekt durch Luft bewegt, treibt es die Luft vor sich weg und erzeugt Druckwellen, die sich mit Schallgeschwindigkeit in alle Richtungen bewegen. Wenn sich das Objekt mit einer Geschwindigkeit bewegt, die gleich oder größer als der Schall ist, übertrifft es diese Druckwellen. Infolgedessen häufen sich die Druckwellen dieser sich beschleunigenden Objekte übereinander, um Stoßwellen zu erzeugen, die als Schallknalle bekannt sind und einem Donnerschlag ähneln.
Schallknalle sind auf konische Bereiche beschränkt, die als "Mach-Kegel" bekannt sind und sich hauptsächlich bis zur Rückseite von Überschallobjekten erstrecken. Ähnliche Ereignisse sind die V-förmigen Bugwellen, die ein Boot erzeugen kann, wenn es schneller fährt als die Wellen, die es aus dem Weg schiebt und sich über das Wasser bewegen.
Frühere Untersuchungen deuteten darauf hin, dass Licht konische Nachläufe erzeugen kann, die Schallauslegern ähneln. Jetzt haben Wissenschaftler zum ersten Mal diese schwer fassbaren "photonischen Mach-Kegel" abgebildet.
Licht bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von 300.000 Kilometern pro Sekunde (186.000 Meilen pro Sekunde), wenn es sich durch Vakuum bewegt. Nach Einsteins Relativitätstheorie kann sich nichts schneller bewegen als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Licht kann sich jedoch langsamer als mit seiner Höchstgeschwindigkeit fortbewegen. Beispielsweise bewegt sich Licht mit einer Geschwindigkeit von etwa 60 Prozent seines Maximums durch Glas. In der Tat haben frühere Experimente das Licht mehr als millionenfach verlangsamt.
Die Tatsache, dass sich Licht in einem Material schneller ausbreiten kann als in einem anderen, half Wissenschaftlern, photonische Mach-Kegel zu erzeugen. Zunächst entwarfen der Studienleiter Jinyang Liang, ein Optiker an der Washington University in St. Louis, und seine Kollegen einen engen Tunnel, der mit Trockeneisnebel gefüllt war. Dieser Tunnel befand sich zwischen Platten aus einer Mischung von Silikonkautschuk und Aluminiumoxidpulver.
Dann feuerten die Forscher grüne Laserlichtimpulse ab, die jeweils nur 7 Pikosekunden (Billionenstelsekunden) dauerten. Diese Impulse könnten die Trockeneisflecken im Tunnel zerstreuen und Lichtwellen erzeugen, die in die umgebenden Platten eindringen könnten.
Das grüne Licht, das die Wissenschaftler verwendeten, wanderte schneller im Tunnel als in den Platten. Als sich ein Laserpuls durch den Tunnel bewegte, hinterließ er einen Kegel langsamer bewegender überlappender Lichtwellen innerhalb der Platten.
Streifenkamera
Um Videos dieser schwer fassbaren Lichtstreuungsereignisse aufzunehmen, entwickelten die Forscher eine "Streifenkamera", die Bilder mit einer Geschwindigkeit von 100 Milliarden Bildern pro Sekunde in einer einzigen Belichtung aufnehmen konnte. Diese neue Kamera hat drei verschiedene Ansichten des Phänomens aufgenommen: eine, die ein direktes Bild der Szene aufgenommen hat, und zwei, die zeitliche Informationen der Ereignisse aufgezeichnet haben, damit die Wissenschaftler Frame für Frame rekonstruieren können, was passiert ist. Im Wesentlichen "setzen sie unterschiedliche Barcodes auf jedes einzelne Bild, so dass wir sie auch dann sortieren können, wenn sie während der Datenerfassung alle miteinander vermischt werden", sagte Liang in einem Interview.
Es gibt andere Bildgebungssysteme, die ultraschnelle Ereignisse erfassen können, aber diese Systeme müssen normalerweise Hunderte oder Tausende von Aufnahmen solcher Phänomene aufzeichnen, bevor sie sie sehen können. Im Gegensatz dazu kann das neue System ultraschnelle Ereignisse mit nur einer Belichtung aufzeichnen. Dies bietet sich an, um komplexe, unvorhersehbare Ereignisse aufzuzeichnen, die sich möglicherweise nicht jedes Mal auf genau dieselbe Weise wiederholen, wie dies bei den photonischen Mach-Kegeln der Fall war, die Liang und seine Kollegen aufgezeichnet haben. In diesem Fall bewegten sich die winzigen Flecken, die das Licht zerstreuten, zufällig.
Die Forscher sagten, ihre neue Technik könnte sich als nützlich erweisen, um ultraschnelle Ereignisse in komplexen biomedizinischen Kontexten wie lebenden Geweben oder fließendem Blut aufzuzeichnen. "Unsere Kamera ist schnell genug, um zu beobachten, wie Neuronen feuern und Live-Verkehr im Gehirn abbilden", sagte Liang gegenüber Live Science. "Wir hoffen, dass wir mit unserem System neuronale Netze untersuchen können, um zu verstehen, wie das Gehirn funktioniert."
Die Wissenschaftler haben ihre Ergebnisse online am 20. Januar in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.
Originalartikel über Live Science.
