O cameră care filmează 156 de trilioane de cadre pe secundă a devenit cea mai rapidă din lume / ”Ne va permite să vedem multe fenomene care nu erau accesibile până acum”

O nouă tehnologie deschide o fereastră către acele fenomene ultrarapide care până acum erau imposibil de studiat și oferă posibilitatea de a dezvolta noi tehnologii în multe domenii, de la calculatoare, la medicină.

O astfel de nouă lume e adusă de mai rapidă cameră foto din lume, relatează Corriere della Sera.

Este suficient de rapidă pentru a filma 156 trilioane de cadre pe secundă. Posibilitatea de a face acest lucru cu smartphone-ul nostru, este imposibil în acest moment, chiar dacă este hiper-super-mega vârf de gamă și de ultimă generație.

Se va putea în momentul în care telefoanele vor fi echipate cu un dispozitiv care folosește o nouă tehnică optică capabilă să capteze 132 de cadre dintr-un singur puls laser ultrarapid, precum cea folosită de oamenii de știință de la Institutul Național de Cercetare Științifică din Quebec City, conduși de profesorul de optică Jinyang Liang.

„Această cameră este mai mult decât o simplă „jucărie””, subliniază Liang, „este de fapt o piesă foarte importantă de echipament științific și suntem pe punctul de a dezvolta un întreg sistem de imagistică care ne va permite să vedem multe fenomene care nu erau accesibile până acum”.

Fenomenele la care se referă Liang sunt cele pe care nu le-am putea capta sau studia niciodată cu echipamente obișnuite, cu atât mai puțin cu proprii noștri ochi. Fenomene atât de speciale încât se produc în timpi foarte scurți, numiți femtosecunde, adică 0,000000000000001 secunde sau, după cum spun oamenii de știință, „zece la minus cincisprezece” secunde.

O metodă capabilă să vadă aceste fenomene ar putea, pe de altă parte, să aducă cunoștințe valoroase în diverse domenii și să ofere posibilitatea de a dezvolta noi tehnologii, de exemplu, în domeniul calculatoarelor sau al medicinei și al diagnosticării.

În 2020, Liang, împreună cu alți colegi, a publicat o lucrare despre o nouă abordare numită „fotografie ultrarapidă comprimată”, cu ajutorul căreia ar putea fi atinse viteze de până la 70 de trilioane de cadre pe secundă. Acum, acest record a fost mai mult decât dublat cu o nouă tehnică pe care Liang a numit-o Swept Coded Aperture Real-time Femtophotography (SCARF), bazată pe o sursă specială de lumină laser cunoscută sub numele de „chirped”, deoarece seamănă cu un impuls scurt, de înaltă frecvență, a cărei descoperire le-a adus lui Arthur Ashkin, Gérard Mourou și Donna Strickland Premiul Nobel pentru Fizică 2018.

În abordarea standard folosită în laboratoare pentru a capta fenomenele ultrarapide, un impuls laser de durată foarte scurtă este tras spre acestea și apoi se măsoară câtă lumină este reflectată și câtă este absorbită. Și acest lucru se repetă de mai multe ori, la intervale de timp foarte scurte (câteva femtosecunde) unul față de celălalt. Totuși, această abordare funcționează doar pentru fenomene statice sau care se repetă cu precizie.

În sistemul SCARF, lungimile de undă ale luminii laser sunt întinse ca un elastic, astfel încât lumina de culori diferite ajunge la țintă în momente diferite. În acest fel, fiecare lungime de undă captează informații la momente diferite.

În configurația lui Liang, lumina trece apoi printr-o grilă care separă lungimile de undă și le trimite în direcții diferite, apoi trece printr-o mască, care seamănă cu un cod QR. Aceasta imprimă fiecărei lungimi de undă un model ușor diferit care, după cum explică Liang, acționează ca un „cod de bare” care permite ca acestea să fie recunoscute unele de altele în post-procesare.

Apoi, o altă grilă recombină din nou toate lungimile de undă într-un singur fascicul care atinge un senzor de imagine. În final, un software special conceput folosește aceste „coduri de bare” pentru a identifica fiecare parte a semnalului recepționat și pentru a afla de la ce lungime de undă provine, fiecare în raport cu un moment diferit. Acest lucru face posibilă divizarea unei singure imagini instantanee în mai multe cadre pentru a crea un film scurt.

În prezent, această abordare poate gestiona doar filme cu o lungime de 132 de cadre, adică până la 850 de femtosecunde, dar echipa a demonstrat că este deja suficientă pentru a surprinde fenomene interesante.

Într-o lucrare publicată recent în Nature Communications, Liang și grupul său au explicat cum au folosit instalația lor pentru a obține imagini ale unui semiconductor care absoarbe fotoni de la un puls laser și ale unui laser folosit pentru a demagnetiza o peliculă de aliaj metalic.

Deja această ultimă aplicație poate avea implicații semnificative pentru dezvoltarea de noi memorii rapide bazate pe magnetism pentru calculatoare. După cum a explicat Liang, „viteza cu care putem demagnetiza un material magnetic determină în mod esențial viteza cu care putem scrie sau citi date pe un suport”.

O altă aplicație foarte promițătoare, de data aceasta într-un domeniu complet diferit, este posibilitatea de a înregistra și de a studia modul în care celulele biologice reacționează la undele de șoc provocate de dispozitivele cu ultrasunete utilizate în tratamentele sau diagnosticele medicale.

Alte aplicații potențiale includ studiul micro și nanodispozitivelor, dinamica anumitor reacții chimice și dinamica plasmei.

Pe lângă aceste posibilități, după cum explică autorii în lucrarea lor, sistemul SCARF este ieftin, deoarece poate fi construit cu ajutorul unor componente optice care sunt deja disponibile pe piață, are un consum redus de energie și oferă o calitate ridicată a măsurătorilor în ceea ce privește achiziția de date, în comparație cu tehnologiile deja disponibile.