Tout comme les avions volant à des vitesses supersoniques créent des booms soniques en forme de cône, les impulsions de lumière peuvent laisser des sillages de lumière en forme de cône. Maintenant, une caméra ultra-rapide a capturé la toute première vidéo de ces événements.
Les nouvelles technologies utilisées pour faire cette découverte pourraient un jour permettre aux scientifiques d'aider à observer les neurones se déclencher et à visualiser l'activité vivante dans le cerveau, selon les chercheurs.
La science derrière la technologie
Lorsqu'un objet se déplace dans l'air, il propulse l'air devant lui, créant des ondes de pression qui se déplacent à la vitesse du son dans toutes les directions. Si l'objet se déplace à des vitesses égales ou supérieures au son, il dépasse ces ondes de pression. En conséquence, les ondes de pression de ces objets en excès de vitesse s'accumulent les unes sur les autres pour créer des ondes de choc appelées booms soniques, qui s'apparentent à des coups de tonnerre.
Les booms soniques sont confinés aux régions coniques appelées "cônes de Mach" qui s'étendent principalement à l'arrière des objets supersoniques. Des événements similaires incluent les vagues d'étrave en forme de V qu'un bateau peut générer lorsqu'il se déplace plus rapidement que les vagues qu'il repousse se déplacent sur l'eau.
Des recherches antérieures ont suggéré que la lumière peut générer des sillages coniques similaires aux barrages soniques. Maintenant, pour la première fois, les scientifiques ont imaginé ces "cônes de Mach photoniques" insaisissables.
La lumière se déplace à une vitesse d'environ 186 000 miles par seconde (300 000 kilomètres par seconde) lorsqu'elle se déplace dans le vide. Selon la théorie de la relativité d'Einstein, rien ne peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière dans le vide. Cependant, la lumière peut se déplacer plus lentement que sa vitesse de pointe - par exemple, la lumière se déplace à travers le verre à des vitesses d'environ 60% de son maximum. En effet, les expériences antérieures ont ralenti la lumière de plus d'un million de fois.
Le fait que la lumière puisse voyager plus rapidement dans un matériau que dans un autre a aidé les scientifiques à générer des cônes Mach photoniques. Tout d'abord, l'auteur principal de l'étude, Jinyang Liang, ingénieur en optique à l'Université de Washington à Saint-Louis, et ses collègues ont conçu un tunnel étroit rempli de brouillard de glace sèche. Ce tunnel était pris en sandwich entre des plaques constituées d'un mélange de caoutchouc silicone et de poudre d'oxyde d'aluminium.
Ensuite, les chercheurs ont tiré des impulsions de lumière laser verte - chacune d'une durée de seulement 7 picosecondes (des milliards de seconde) - dans le tunnel. Ces impulsions pourraient disperser les taches de glace sèche dans le tunnel, générant des ondes lumineuses qui pourraient pénétrer dans les plaques environnantes.
La lumière verte utilisée par les scientifiques a voyagé plus rapidement à l'intérieur du tunnel que dans les plaques. En tant que tel, alors qu'une impulsion laser descendait dans le tunnel, elle a laissé un cône d'ondes lumineuses se chevauchant plus lentement derrière elle dans les plaques.
Caméra Streak
Pour capturer des vidéos de ces événements insaisissables de diffusion de la lumière, les chercheurs ont développé une "caméra à balayage" qui pourrait capturer des images à des vitesses de 100 milliards d'images par seconde en une seule exposition. Cette nouvelle caméra a capturé trois vues différentes du phénomène: une qui a acquis une image directe de la scène et deux qui ont enregistré des informations temporelles des événements afin que les scientifiques puissent reconstruire ce qui s'est passé image par image. Essentiellement, ils "mettent des codes à barres différents sur chaque image individuelle, de sorte que même si lors de l'acquisition des données, ils sont tous mélangés, nous pouvons les trier", a déclaré Liang dans une interview.
Il existe d'autres systèmes d'imagerie qui peuvent capturer des événements ultrarapides, mais ces systèmes doivent généralement enregistrer des centaines ou des milliers d'expositions de ces phénomènes avant de pouvoir les voir. En revanche, le nouveau système peut enregistrer des événements ultrarapides avec une seule exposition. Cela se prête à l'enregistrement d'événements complexes et imprévisibles qui peuvent ne pas se répéter exactement de la même manière chaque fois qu'ils se produisent, comme ce fut le cas avec les cônes Mach photoniques que Liang et ses collègues ont enregistrés. Dans ce cas, les minuscules taches qui diffusaient la lumière se déplaçaient au hasard.
Les chercheurs ont déclaré que leur nouvelle technique pourrait s'avérer utile pour enregistrer des événements ultrarapides dans des contextes biomédicaux complexes tels que les tissus vivants ou le sang qui coule. "Notre caméra est suffisamment rapide pour regarder les neurones se déclencher et visualiser le trafic en direct dans le cerveau", a déclaré Liang à Live Science. "Nous espérons que nous pourrons utiliser notre système pour étudier les réseaux de neurones afin de comprendre le fonctionnement du cerveau."
Les scientifiques ont détaillé leurs résultats en ligne le 20 janvier dans la revue Science Advances.
Article original sur Live Science.
