Kamera ultracepat menangkap ‘gelombang sonik’ cahaya untuk pertama kalinya

Sama seperti pesawat terbang yang terbang dengan kecepatan supersonik menghasilkan ledakan sonik berbentuk kerucut, gelombang cahaya juga dapat meninggalkan kumparan cahaya berbentuk kerucut. Kini kamera super cepat telah menangkap video pertama dari peristiwa ini.

Teknologi baru yang digunakan untuk membuat penemuan ini suatu hari nanti dapat membantu para ilmuwan mengamati neuron menyala dan menggambarkan aktivitas langsung di otak, kata para peneliti. (Menyeramkan! 10 fenomena teratas yang tidak dapat dijelaskan)

Ilmu di balik teknologi

Ketika sebuah benda bergerak di udara, ia mendorong udara di depannya, menciptakan gelombang tekanan yang merambat dengan kecepatan suara ke segala arah. Jika suatu benda bergerak dengan kecepatan sama dengan atau lebih besar dari kecepatan suara, maka ia akan melewati gelombang tekanan tersebut. Akibatnya, gelombang tekanan dari benda-benda yang melaju kencang ini bertumpuk satu sama lain sehingga menimbulkan gelombang kejut yang disebut bom sonikyang mirip dengan tepukan guntur.

Ledakan sonik terbatas pada daerah berbentuk kerucut yang dikenal sebagai “Kerucut Mach” yang meluas terutama ke bagian belakang objek supersonik. Kejadian serupa mencakup gelombang haluan berbentuk V yang dihasilkan perahu ketika melaju lebih cepat daripada gelombang yang mendorongnya saat bergerak melintasi air.

Penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa cahaya dapat menghasilkan gelombang berbentuk kerucut yang mirip dengan ledakan sonik. Kini, untuk pertama kalinya, para ilmuwan telah mencitrakan “kerucut Mach fotonik” yang sulit dipahami ini.

Lampu bergerak dengan kecepatan sekitar 186.000 mil per detik saat bergerak melalui ruang hampa. Menurut teori relativitas Einstein, tidak ada yang bisa bergerak lebih cepat daripada kecepatan cahaya di ruang hampa. Namun, cahaya dapat merambat lebih lambat dari kecepatan tertingginya – misalnya, cahaya merambat melalui kaca dengan kecepatan sekitar 60 persen dari kecepatan maksimumnya. Memang, Eksperimen sebelumnya telah memperlambat cahaya lebih dari satu juta kali lipat.

Fakta bahwa cahaya dapat merambat lebih cepat pada suatu material dibandingkan material lain telah membantu para ilmuwan menghasilkan kerucut fotonik Mach. Pertama, penulis utama studi Jinyang Liang, seorang insinyur optik di Universitas Washington di St. Louis. Louis, dan rekan-rekannya merancang terowongan sempit yang dipenuhi kabut es kering. Terowongan ini berada di antara pelat yang terbuat dari campuran karet silikon dan bubuk aluminium oksida.

Kemudian para peneliti menembakkan sinar laser hijau – yang masing-masing hanya berlangsung selama 7 pikodetik (sepersejuta detik) – ke dalam terowongan. Pulsa ini dapat menyebarkan butiran es kering di dalam terowongan dan menghasilkan gelombang cahaya yang dapat menembus lempeng di sekitarnya.

Lampu hijau yang digunakan para ilmuwan bergerak lebih cepat di dalam terowongan dibandingkan di dalam lempeng. Dengan demikian, saat pulsa laser bergerak menyusuri terowongan, ia meninggalkan kerucut gelombang cahaya yang tumpang tindih dan bergerak lambat di belakangnya di dalam pelat.

Kamera coretan

Untuk merekam video peristiwa penghamburan cahaya yang sulit dipahami ini, para peneliti menggunakan ” kamera beruntun ” yang dapat menangkap gambar dengan kecepatan 100 miliar frame per detik dalam satu eksposur. Kamera baru ini menangkap tiga pandangan berbeda dari fenomena tersebut: satu yang menangkap gambar langsung dari pemandangan tersebut, dan dua yang menangkap informasi temporal dari peristiwa yang direkam sehingga bahwa para ilmuwan dapat merekonstruksi apa yang terjadi bingkai demi bingkai. Pada dasarnya, mereka “menempatkan kode batang yang berbeda pada setiap gambar, sehingga meskipun semuanya tercampur selama akuisisi data, kami dapat memilahnya,” kata Liang. .

Ada sistem pencitraan lain yang dapat menangkap peristiwa ultracepat, namun sistem ini biasanya harus merekam ratusan atau ribuan paparan fenomena tersebut sebelum dapat melihatnya. Sebaliknya, sistem baru ini dapat merekam peristiwa ultra-cepat hanya dengan satu eksposur. Hal ini cocok untuk merekam peristiwa yang kompleks dan tidak dapat diprediksi yang mungkin tidak terulang dengan cara yang persis sama setiap kali terjadi, seperti halnya kerucut fotonik Mach yang direkam oleh Liang dan rekan-rekannya. Dalam hal ini, titik kecil yang menyebarkan cahaya bergerak secara acak.

Para peneliti mengatakan teknik baru mereka dapat berguna untuk merekam peristiwa ultracepat dalam konteks biomedis yang kompleks seperti jaringan hidup atau darah yang mengalir. “Kamera kami cukup cepat untuk melihat neuron menyala dan menggambarkan lalu lintas langsung di otak,” kata Liang kepada Live Science. “Kami berharap dapat menggunakan sistem kami untuk mempelajari jaringan saraf guna memahami cara kerja otak.”

Para ilmuwan merinci temuan mereka secara online pada 20 Januari di jurnal Science Advances.

Artikel asli tentang Ilmu Hidup.