Sama seperti pesawat terbang dengan kecepatan supersonik menciptakan ledakan sonik berbentuk kerucut, pulsa cahaya dapat meninggalkan bangun cahaya berbentuk kerucut. Sekarang, kamera super cepat telah merekam video pertama dari peristiwa ini.
Teknologi baru yang digunakan untuk membuat penemuan ini suatu hari nanti dapat memungkinkan para ilmuwan untuk membantu menonton neuron terbakar dan gambar aktivitas hidup di otak, kata para peneliti.
Sains di balik teknologi
Ketika suatu benda bergerak melalui udara, ia mendorong udara di depannya, menciptakan gelombang tekanan yang bergerak dengan kecepatan suara ke segala arah. Jika objek bergerak dengan kecepatan yang sama atau lebih besar dari suara, benda itu mengungguli gelombang tekanan itu. Akibatnya, gelombang tekanan dari benda-benda yang bergerak cepat ini bertumpuk satu sama lain untuk menciptakan gelombang kejut yang dikenal sebagai ledakan sonik, yang mirip dengan tepukan guntur.
Boom sonik terbatas pada daerah kerucut yang dikenal sebagai "kerucut Mach" yang meluas terutama ke bagian belakang benda supersonik. Peristiwa serupa termasuk gelombang busur berbentuk-V yang dapat dihasilkan oleh kapal saat melakukan perjalanan lebih cepat dari ombak yang didorongnya untuk bergerak melintasi air.
Penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa cahaya dapat menghasilkan bangun kerucut yang mirip dengan ledakan sonik. Sekarang, untuk pertama kalinya, para ilmuwan telah mencitrakan "kerucut Mach fotonik" yang sulit dipahami ini.
Cahaya bergerak dengan kecepatan sekitar 186.000 mil per detik (300.000 kilometer per detik) saat bergerak melalui ruang hampa udara. Menurut teori relativitas Einstein, tidak ada yang dapat berjalan lebih cepat dari kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Namun, cahaya dapat bergerak lebih lambat dari kecepatan puncaknya - misalnya, cahaya bergerak melalui kaca dengan kecepatan sekitar 60 persen dari maksimum. Memang, percobaan sebelumnya telah memperlambat lebih dari satu juta kali lipat.
Fakta bahwa cahaya dapat melakukan perjalanan lebih cepat dalam satu bahan daripada yang lain membantu para ilmuwan untuk menghasilkan kerucut fotonik Mach. Pertama, penulis utama studi Jinyang Liang, seorang insinyur optik di Universitas Washington di St. Louis, dan rekan-rekannya merancang terowongan sempit yang diisi dengan kabut es kering. Terowongan ini terjepit di antara pelat yang terbuat dari campuran karet silikon dan bubuk aluminium oksida.
Kemudian, para peneliti menembakkan pulsa sinar laser hijau - masing-masing hanya berlangsung 7 picoseconds (seper detik) - di ujung terowongan. Denyut nadi ini bisa menghamburkan bintik es kering di dalam terowongan, menghasilkan gelombang cahaya yang bisa masuk ke lempeng sekitarnya.
Lampu hijau yang digunakan para ilmuwan melakukan perjalanan lebih cepat di dalam terowongan daripada di lempeng. Dengan demikian, ketika pulsa laser bergerak menuruni terowongan, itu meninggalkan kerucut gelombang cahaya yang tumpang tindih yang lambat di belakangnya di dalam lempeng.
Kamera beruntun
Untuk merekam video dari peristiwa hamburan cahaya yang sulit dipahami ini, para peneliti mengembangkan "streak camera" yang dapat menangkap gambar dengan kecepatan 100 miliar frame per detik dalam satu eksposur. Kamera baru ini menangkap tiga pandangan berbeda dari fenomena: satu yang memperoleh gambar langsung dari pemandangan, dan dua yang merekam informasi temporal dari peristiwa sehingga para ilmuwan dapat merekonstruksi apa yang terjadi bingkai demi bingkai. Pada dasarnya, mereka "menempatkan kode batang yang berbeda pada setiap gambar individu, sehingga bahkan jika selama akuisisi data semuanya dicampur bersama, kita dapat memilahnya," kata Liang dalam sebuah wawancara.
Ada sistem pencitraan lain yang dapat menangkap peristiwa sangat cepat, tetapi sistem ini biasanya perlu merekam ratusan atau ribuan eksposur fenomena seperti itu sebelum mereka dapat melihatnya. Sebaliknya, sistem baru dapat merekam acara ultrafast hanya dengan satu paparan. Ini cocok untuk merekam peristiwa kompleks yang tidak dapat diprediksi yang mungkin tidak terulang lagi dengan cara yang persis sama setiap kali terjadi, seperti halnya dengan kerucut fotonik yang direkam oleh Liang dan rekan-rekannya. Dalam hal itu, bintik-bintik kecil yang menyebarkan cahaya bergerak secara acak.
Para peneliti mengatakan teknik baru mereka bisa terbukti berguna dalam merekam peristiwa ultrafast dalam konteks biomedis yang kompleks seperti jaringan hidup atau aliran darah. "Kamera kami cukup cepat untuk menonton neuron terbakar dan gambar lalu lintas langsung di otak," kata Liang kepada Live Science. "Kami berharap kami dapat menggunakan sistem kami untuk mempelajari jaringan saraf untuk memahami cara kerja otak."
Para ilmuwan merinci temuan mereka secara online 20 Januari di jurnal Science Advances.
Artikel asli tentang Sains Langsung.
