Así como los aviones que vuelan a velocidades supersónicas crean auges sónicos en forma de cono, los pulsos de luz pueden dejar atrás estelas de luz en forma de cono. Ahora, una cámara súper rápida ha capturado el primer video de estos eventos.
Los investigadores dicen que la nueva tecnología utilizada para hacer este descubrimiento podría algún día permitir a los científicos ayudar a observar cómo las neuronas disparan e imaginan la actividad en vivo en el cerebro.
Ciencia detrás de la tecnología
Cuando un objeto se mueve a través del aire, impulsa el aire frente a él, creando ondas de presión que se mueven a la velocidad del sonido en todas las direcciones. Si el objeto se mueve a velocidades iguales o mayores que el sonido, supera esas ondas de presión. Como resultado, las ondas de presión de estos objetos acelerados se acumulan una encima de la otra para crear ondas de choque conocidas como auges sónicos, que son similares a los truenos.
Los auges sónicos se limitan a las regiones cónicas conocidas como "conos de Mach" que se extienden principalmente a la parte posterior de los objetos supersónicos. Eventos similares incluyen las ondas de proa en forma de V que un barco puede generar cuando viaja más rápido que las olas que empuja fuera de su camino a través del agua.
Investigaciones previas sugirieron que la luz puede generar estelas cónicas similares a los auges sónicos. Ahora, por primera vez, los científicos han imaginado estos esquivos "conos de Mach fotónicos".
La luz viaja a una velocidad de aproximadamente 186,000 millas por segundo (300,000 kilómetros por segundo) cuando se mueve a través del vacío. Según la teoría de la relatividad de Einstein, nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz en el vacío. Sin embargo, la luz puede viajar más lentamente que su velocidad máxima; por ejemplo, la luz se mueve a través del vidrio a velocidades de aproximadamente el 60 por ciento de su máximo. De hecho, los experimentos anteriores han ralentizado la luz más de un millón de veces.
El hecho de que la luz pueda viajar más rápido en un material que en otro ayudó a los científicos a generar conos fotónicos de Mach. Primero, el autor principal del estudio, Jinyang Liang, ingeniero óptico de la Universidad de Washington en St. Louis, y sus colegas diseñaron un túnel estrecho lleno de niebla de hielo seco. Este túnel se intercala entre placas hechas de una mezcla de caucho de silicona y polvo de óxido de aluminio.
Luego, los investigadores dispararon pulsos de luz láser verde, cada uno con una duración de solo 7 picosegundos (billonésimas de segundo), por el túnel. Estos pulsos podrían dispersar las motas de hielo seco dentro del túnel, generando ondas de luz que podrían entrar en las placas circundantes.
La luz verde que usaron los científicos viajó más rápido dentro del túnel que en las placas. Como tal, cuando un pulso láser se movió por el túnel, dejó un cono de ondas de luz superpuestas más lentas detrás de él dentro de las placas.
Cámara raya
Para capturar videos de estos escurridizos eventos de dispersión de luz, los investigadores desarrollaron una "cámara de rayas" que podía capturar imágenes a velocidades de 100 mil millones de cuadros por segundo en una sola exposición. Esta nueva cámara capturó tres vistas diferentes del fenómeno: una que adquirió una imagen directa de la escena y dos que registraron información temporal de los eventos para que los científicos pudieran reconstruir lo que sucedió cuadro por cuadro. Esencialmente, "ponen diferentes códigos de barras en cada imagen individual, de modo que incluso si durante la adquisición de datos se mezclan, podemos resolverlos", dijo Liang en una entrevista.
Hay otros sistemas de imágenes que pueden capturar eventos ultrarrápidos, pero estos sistemas generalmente necesitan registrar cientos o miles de exposiciones de tales fenómenos antes de que puedan verlos. Por el contrario, el nuevo sistema puede grabar eventos ultrarrápidos con una sola exposición. Esto se presta para registrar eventos complejos e impredecibles que pueden no repetirse exactamente de la misma manera cada vez que suceden, como fue el caso con los conos fotónicos de Mach que registraron Liang y sus colegas. En ese caso, las pequeñas motas que dispersaban la luz se movían al azar.
Los investigadores dijeron que su nueva técnica podría resultar útil para registrar eventos ultrarrápidos en contextos biomédicos complejos, como tejidos vivos o sangre que fluye. "Nuestra cámara es lo suficientemente rápida como para ver a las neuronas disparar e imágenes de tráfico en vivo en el cerebro", dijo Liang a Live Science. "Esperamos poder usar nuestro sistema para estudiar redes neuronales para comprender cómo funciona el cerebro".
Los científicos detallaron sus hallazgos en línea el 20 de enero en la revista Science Advances.
Artículo original sobre Live Science.
