Ultraschnelle Kamera fÀngt "Sonic Booms" des Lichts zum ersten Mal ein

So wie Flugzeuge, die mit Überschallgeschwindigkeit fliegen, kegelförmige Schallwellen erzeugen, können Lichtpulse kegelförmige Lichtwolken hinterlassen. Jetzt hat eine superschnelle Kamera das erste Video dieser Ereignisse aufgenommen.

Die neue Technologie, mit der diese Entdeckung gemacht wird, könnte eines Tages Wissenschaftlern erlauben, zu beobachten, wie Neuronen abfeuern und Lebenssimulationen im Gehirn abbilden, sagen Forscher. [Gespenstisch! Top 10 ungeklärte Phänomene]

Wissenschaft hinter der Technologie

Wenn sich ein Objekt durch die Luft bewegt, treibt es die Luft vor ihm 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, überholt es diese Druckwellen. Als Ergebnis häufen sich die Druckwellen von diesen sich beschleunigenden Objekten übereinander an, um Stoßwellen zu erzeugen, die als Überschallknall bekannt sind, die einem Donnerschlag ähnlich sind.

Sonic-Booms sind auf konische Regionen beschränkt, die als "Mach-Kegel" bekannt sind und sich hauptsächlich auf die Rückseite von Überschall-Objekten 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, um sich über das Wasser zu bewegen.

Frühere Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass Licht konische Aufwölbungen erzeugen kann, ähnlich wie bei Überschallknallen. Nun haben Wissenschaftler erstmals diese schwer fassbaren "photonischen Mach-Kegel" abgebildet.

Licht bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 186.000 Meilen pro Sekunde (300.000 Kilometer pro Sekunde), wenn es sich durch das Vakuum bewegt. Nach Einsteins Relativitätstheorie kann sich nichts schneller bewegen als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Licht kann sich jedoch langsamer bewegen als seine Höchstgeschwindigkeit - beispielsweise bewegt sich Licht durch Glas mit einer Geschwindigkeit von etwa 60 Prozent seines Maximums. In der Tat haben frühere Experimente das Licht mehr als eine Million Mal verlangsamt.

Die Tatsache, dass Licht in einem Material schneller transportiert werden kann als in einem anderen, half Wissenschaftlern, photonische Machkegel zu erzeugen. Zuerst haben Studienautor Jinyang Liang, ein Optikingenieur an der Washington University in St. Louis, und seine Kollegen einen engen Tunnel mit Trockeneisnebel entworfen. Dieser Tunnel wurde sandwichartig zwischen Platten angeordnet, die aus einer Mischung von Silikonkautschuk und Aluminiumoxidpulver hergestellt waren.

Dann feuerten die Forscher grüne Laserlichtpulse ab, die jeweils nur 7 Picosekunden (Billionstelsekunden) lang waren. Diese Pulse könnten die Flecken von Trockeneis innerhalb des Tunnels verstreuen und Lichtwellen erzeugen, die in die umgebenden Platten eindringen könnten.

Das grüne Licht, das die Wissenschaftler einsetzten, bewegte sich im Tunnel schneller als in den Tellern. Als sich ein Laserpuls den Tunnel entlang bewegte, hinterließ er innerhalb der Platten einen Konus sich langsamer bewegender, sich überlagernder Lichtwellen.

Streak Kamera

Um diese schwer fassbaren Lichtstreuungsereignisse zu erfassen, entwickelten die Forscher eine "Streak-Kamera", die Bilder mit einer Geschwindigkeit von 100 Milliarden Bildern pro Sekunde in einer einzigen Aufnahme erfassen konnte. Diese neue Kamera zeichnete drei verschiedene Ansichten des Phänomens auf: eines, das ein direktes Bild der Szene aufgenommen hat, und zwei, die zeitliche Informationen über die Ereignisse aufgenommen haben, so dass die Wissenschaftler rekonstruieren konnten, was Bild für Bild passiert ist. Im Grunde genommen "fügen sie jedem einzelnen Bild unterschiedliche Barcodes hinzu, so dass wir sie, auch wenn sie während der Datenerfassung gemischt sind, aussortieren können", sagte Liang in einem Interview.

Es gibt andere bildgebende Systeme, die ultraschnelle Ereignisse erfassen können, aber diese Systeme müssen normalerweise Hunderte oder Tausende 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, komplexe, unvorhersehbare Ereignisse aufzuzeichnen, die sich nicht jedes Mal auf exakt die gleiche Weise wiederholen, wie es bei den photonischen Mach-Kegeln der Fall war, die Liang und seine Kollegen aufzeichneten. In diesem Fall bewegten sich die winzigen Flecken, die das Streulicht erzeugten, wahllos.

Die Forscher sagten, dass ihre neue Technik bei der Aufzeichnung ultraschneller Ereignisse in komplexen biomedizinischen Kontexten wie lebendem Gewebe oder fließendem Blut nützlich sein könnte. "Unsere Kamera ist schnell genug, um zu sehen, wie Neuronen feuern und den Live-Verkehr im Gehirn abbilden", sagte Liang zu Live Science. "Wir hoffen, dass wir unser System nutzen können, um neuronale Netzwerke zu untersuchen, um zu verstehen, wie das Gehirn funktioniert."

Die Wissenschaftler haben ihre Ergebnisse online am 20. Januar in der Fachzeitschrift Science Advances vorgestellt.