超音速で飛行する航空機が円錐形のソニックブームを作成するのと同じように、光のパルスは円錐形の光の後流を残すことができます。今、超高速カメラがこれらのイベントの史上初のビデオをキャプチャしました。
この発見に使用された新しい技術により、科学者はいつかニューロンの発火を観察し、脳内の活動を画像化できるようになる可能性があると研究者たちは述べている。
テクノロジーの背後にある科学
オブジェクトが空気中を移動すると、オブジェクトはその前の空気を遠ざけ、音速であらゆる方向に移動する圧力波を生成します。物体が音以上の速度で動いている場合は、それらの圧力波を追い越します。その結果、これらの高速オブジェクトからの圧力波が互いに重なり合って、ソニックブームと呼ばれる衝撃波が発生します。これは、雷鳴のようなものです。
ソニックブームは、主に超音速物体の後方に伸びる「マッハコーン」として知られる円錐領域に限定されます。同様のイベントには、ボートが進行方向から押し出す波よりも速く移動するときにボートが生成できるV字型の弓の波が含まれます。
以前の研究では、光がソニックブームに似た円錐状の伴流を生成する可能性があることが示唆されていました。現在、初めて、科学者はこれらのとらえどころのない「フォトニックマッハコーン」をイメージしました。
真空中を移動するとき、光は毎秒約186,000マイル（毎秒300,000キロメートル）の速度で移動します。アインシュタインの相対性理論によれば、真空中の光の速度より速く移動できるものはありません。ただし、光はその最高速度よりもゆっくりと移動する可能性があります。たとえば、光はガラスの中を最大速度の約60％の速度で移動します。実際、以前の実験では、100万倍以上光が遅くなりました。
光が別の材料よりも速く移動できるという事実は、科学者がフォトニックマッハコーンを生成するのに役立ちました。最初に、研究の筆頭著者であるセントルイスのワシントン大学の光学エンジニアであるJinyang Liangと彼の同僚は、ドライアイスの霧で満たされた狭いトンネルを設計しました。このトンネルは、シリコーンゴムと酸化アルミニウム粉末の混合物で作られたプレートの間に挟まれました。
次に、研究者達は緑色のレーザー光のパルスを発射しました-それぞれがたった7ピコ秒（1兆分の1秒）続く-トンネルを下ります。これらのパルスは、トンネル内のドライアイスの斑点から散乱し、周囲のプレートに入る可能性のある光波を生成する可能性があります。
科学者が使用した緑色の光は、プレート内よりもトンネル内を速く進みました。そのため、レーザーパルスがトンネルを下っていくと、プレート内の背後に、ゆっくりと移動するオーバーラップする光波のコーンが残りました。
ストリークカメラ
これらのとらえどころのない光散乱イベントのビデオをキャプチャするために、研究者らは、1回の露光で毎秒1,000億フレームの速度で画像をキャプチャできる「ストリークカメラ」を開発しました。この新しいカメラは、現象の3つの異なるビューをキャプチャしました。1つはシーンの直接画像を取得し、2つはイベントの時間情報を記録して、科学者がフレームごとに起こったことを再構築できるようにしました。本質的に、彼らは「個々の画像に異なるバーコードを付けることで、データ収集中にそれらがすべて混ざったとしても、それらを分類できるようにする」とLiang氏はインタビューで述べた。
超高速のイベントをキャプチャできる他のイメージングシステムもありますが、これらのシステムは通常、そのような現象を目にする前に数百または数千の露出を記録する必要があります。対照的に、新しいシステムは、1回の露出で超高速のイベントを記録できます。これは、Liangと彼の同僚が記録したフォトニックマッハコーンの場合のように、発生するたびに正確に同じように繰り返すことができない複雑で予測できないイベントを記録するのに役立ちます。その場合、光を散乱させる小さな斑点がランダムに動き回ります。
研究者たちは、彼らの新しい技術は、生きている組織や流れる血液などの複雑な生物医学的状況で超高速のイベントを記録するのに役立つかもしれないと言いました。 「私たちのカメラはニューロンの発火を観察し、脳内のライブトラフィックを画像化するのに十分な速さです」とLiang氏はLive Scienceに語った。 「私たちのシステムを使用してニューラルネットワークを研究し、脳がどのように機能するかを理解できることを願っています。」
科学者たちは、1月20日オンラインのScience Science Advances誌で彼らの発見を詳しく説明しました。
Live Scienceに関するオリジナルの記事。
