Физики из Университета Вашингтона засняли видео движения конуса«ударной волны» света. Это явление родственно ударным конусам, возникающим вокруг самолетов, переходящих на сверхзвуковую скорость. Для съемки движения лазерного импульса ученые создали камеру, способную снимать до 100миллиардов кадров в секунду. Исследование опубликовано в журнале Science Advances, кратко о нем сообщает Gizmodo.

Световая «ударная волна» возникает, когда основной пучок летит со «сверхсветовой» скоростью для рассеянного света (иными словами, быстрее рассеянного света). Jinyang Liang and Lihong V. Wang

«Ударная волна» света рождается при распространении пучка света в специально созданных средах. Необходимым требованием для нее является «сверхсветовое»распространение основного пучка по сравнению с распространением рассеянного излучения. Реализуется это следующим образом. Основной пучок света распространяется через канал с низким коэффициентом преломления — параметром,показывающим насколько медленнее свет распространяется в данной среде по сравнению с вакуумом. Вокруг этого канала располагается оптически плотная среда, в которой скорость распространения света меньше  (например, в два раза). При движении в канале,импульс света рассеивается на дефектах, порождая вторичное излучение — такой механизм заставляет светиться пылинки в луче света. Это излучение, в отличие от исходного пучка, распространяется не только в канале, но и в окружающей среде.А так как скорость распространения света в ней меньше, возникает отставание рассеянного света от основного пучка. Форма пятна рассеяния в пространстве при этом повторяет конус ударной волны при сверхзвуковом движении. По отношению к рассеянному свету основной пучок двигается со «сверхсветовой» скоростью.

Механизм рождения «ударной волны» света. Jinyang Liang еt al. / Science Advances, 2017

Чтобы получить видеозапись этой «ударной волны» необходима камера, способная делать подряд снимки с выдержкой в несколько пикосекунд — триллионных долей секунды. Современные «зеркалки» как правило обладают гораздо меньшими скоростями съемки — порядка 125 микросекунд (1/8000 секунды, в десять-стомиллионов раз медленнее). Для съемки столь быстрых событий используется два подхода. Первый — делать одиночные кадры в разные моменты времени процесса,повторяя эксперимент раз за разом, и «склеивать» множество различных фотографий в единую анимацию. Для этого используется пара импульсов — накачки и зондирования. Этот подход можно использовать лишь для полностью воспроизводимых процессов и с его помощью «ударные волны» света уже визуализировали.

Второй подход — использование прямой видеосъемки одиночного события. Именно это удалось реализовать авторам новой работы.

Для создания световой «ударной волны»  ученые использовали канал, заполненный насыщенным паром испаряющегося сухого льда (твердый диоксид углерода), который был окружен силиконом с частицами оксида алюминия. Пары сухого льда играли роль пылинок, на которых рассеивался свет, а силикон был выбран из-за его большого коэффициента преломления. Свет в нем распространяется примерно на 70 процентов медленнее, чем в воздухе. Основной 7-пикосекудный импульс генерировался зеленым лазером.

Схема эксперимента по визуализации

Методика ученых заключалась в компьютерной реконструкции движения«ударной волны» из трех различных ее записей. С помощью специальной оптической системы ученые фиксировали свечение на «длинной» выдержке (дольше десятка пикосекунд). Две дополнительных записи фиксировали эволюцию картины рассеяния со временем в специальной камере. В ней изображение сдвигалось вдоль сенсора с огромной скоростью — 1320 километров в секунду. Чтобы достигнуть такой скорости фотоны,влетающие в устройство, конвертировались в фотоэлектроны, которые вылетали в разные точки сенсора из-за быстро возрастающей напряженности электрического поля камере. В результате физикам удалось полностью восстановить движение конуса «ударной волны». Скорость съемки, по расчетам авторов, эквивалентна примерно100 миллиардам кадров в секунду (один кадр — единицы пикосекунд).

A и C — снимки, сделанные «медленной» камерой (выдержка много больше продолжительности импульса, конус смазан). B и D — восстановленные кадры анимации движения света. В случае A, B «ударная волна» возникает, так как коэффициент преломления канала меньше коэффициента преломления среды. В случае C, D — не возникает, так как канал оптически более плотный, чем среда. Jinyang Liang еt al. / Science Advances, 2017

Авторы отмечают, что новая техника применима не только для исследования пучков света, но и для других быстрых процессов. Например, с ее помощью можно визуализировать рождение и передачу нервных импульсов в мозгу.Ключевым здесь является возможность исследовать каждое событие по отдельности(нет требования повторяемости событий как в традиционных методах съемки быстрых событий).

Стоит отметить, что в действительности в эксперименте не наблюдалось сверхсветового движения — лучи распространялись со скоростью, максимальной для данных сред. В некоторых случаях эта скорость можно превзойти — например, когда в оптически плотную среду попадает высокоэнергетическая частица (продукт ядерного распада). В таком случае рождается так называемое черенковское излучение. 

Самый короткий промежуток времени, зафиксированный на данный момент, — 850 зептосекунд. Эта величина в десять миллионов раз меньше, чем временное разрешение съемки в новой работе. Такое временное разрешение потребовалось для исследования отрыва электрона от атома гелия: промежуток времени между поглощением фотона и выбросом электрона примерно равен 7–20 аттосекундам. Однако исследовать процессы на таких временных промежутках можно лишь методом  накачки и зондирования, что требует идеальной воспроизводимости.

Автор: Владимир Королёв