Cea mai rapidă cameră din lume poate capta imagini cu o rată de 156 de trilioane de cadre pe secundă (fps), deschizând o nouă fereastră către fenomene ultrarapide care anterior erau imposibil de văzut, spun oamenii de știință.
Noul dispozitiv folosește o tehnică optică nouă pentru a captura 132 de cadre dintr-un singur impuls al unui laser ultra-rapid. Oamenii de știință au descris noul dispozitiv într-un studiu publicat pe 21 februarie în jurnal Comunicarea naturii.
Această tehnologie le permite oamenilor de știință să înregistreze fenomene care au loc în femtosecunde – o cvadrilionime dintr-o secundă. Tehnologia ar putea oferi perspective valoroase care influențează diferite domenii de cercetare și dezvoltare, de la crearea de noi tehnologii de memorie de computer până la tratamente medicale cu ultrasunete, au scris cercetătorii în lucrarea lor.
„Această cameră este mai mult decât o jucărie, este de fapt o piesă foarte importantă de echipament științific”, autorul principal. Jinyang Liang, profesor asociat de optică la Institutul Național de Cercetare Științifică (INRS) din Quebec City, a declarat pentru Live Science. „Suntem pe punctul de a dezvolta un sistem de imagistică foarte generic care ne permite să vedem o mulțime de fenomene care nu erau accesibile înainte”.
Principala provocare atunci când imaginăm fenomene ultrarapide este că chiar și cei mai captivi senzori de cameră nu pot capta imagini decât la o rată de câteva sute de milioane de fps, a spus Liang. Dar o mulțime de evenimente în natură au loc la intervale de timp cu cinci sau șase ordine de mărime mai repede decât atât.
Abordarea standard a captării fenomenelor superrapide implică tragerea unui impuls laser către ele, apoi măsurarea câtă lumină este reflectată sau absorbită. Acest lucru se repetă de mai multe ori, fiecare vizand o fereastră de timp diferită, separată de doar câteva femtosecunde. Dar această abordare „pompă și sondă” funcționează numai pentru mostre statice sau fenomene precis repetabile, a spus Liang.
Și în timp ce senzorii optoelectronici speciali au atins viteze de până la 10 trilioane fps, aceasta nu este încă suficient de rapidă pentru multe fenomene. În 2020, Liang a fost coautor al unui hârtie pe o abordare numită „fotografie ultrarapidă comprimată”, care a atins viteze de până la 70 de trilioane de fps. Și acum, laboratorul său a dublat acest record cu o abordare pe care au numit-o „femtofotografie în timp real cu deschidere codificată”.
Noua abordare se bazează pe o sursă de lumină specială cunoscută sub numele de laser „ciripit”, a cărei descoperire a câștigat Premiul Nobel pentru Fizică 2018. În aceste lasere, lungimile de undă ale luminii sunt întinse astfel încât lumina de diferite culori sosește în momente diferite.
Aceasta înseamnă că, atunci când un impuls de la acest laser este tras la un obiect, fiecare lungime de undă captează informații din momente diferite. În configurația lui Liang și a echipei sale, lumina trece apoi printr-un grătar care împarte lungimile de undă și le trimite în direcții diferite. Apoi trec printr-o mască, care arată ca un cod QR.
Acest lucru imprimă un model ușor diferit în fiecare lungime de undă, despre care Liang a spus că acționează ca un „cod de bare” pentru a le separa în post-procesare. O altă rețea recombină apoi toate lungimile de undă într-un singur fascicul, care lovește un senzor de imagine.
Software-ul special conceput folosește codurile de bare pentru a afla ce părți ale semnalului provin de la ce lungime de undă – fiecare raportând la diferite momente de timp. Acest lucru face posibilă împărțirea unui singur instantaneu în mai multe cadre pentru a crea un scurt film. În prezent, abordarea poate gestiona doar filme cu o lungime de 132 de cadre – adică până la 850 de femtoscunde, dar echipa a demonstrat deja că acest lucru poate surprinde fenomene interesante.
În lucrarea lor, ei și-au folosit configurația pentru a înregistra un semiconductor care absoarbe fotoni dintr-un impuls laser, precum și un laser folosit pentru a demagnetiza o peliculă de aliaj. Acesta din urmă are implicații semnificative pentru dezvoltarea unei noi memorie de calcul bazate pe magnetism, a spus Liang. „Cât de repede putem demagnetiza un material magnetic determină în esență cât de repede putem scrie sau citi datele”, a spus el.
O altă aplicație promițătoare ar fi înregistrarea modului în care celulele răspund la undele de șoc cauzate de dispozitivele cu ultrasunete, a spus el, ceea ce ar putea avea implicații pentru tratamentele medicale.