Câmera com 10 trilhões de quadros por segundo captura a luz em câmera lenta

Você deve saber que a luz é a coisa mais rápida do universo. Logo, tentar filmá-la em movimento é necessariamente um desafio. Os cientistas tiveram algum sucesso no passado, mas um novo dispositivo construído por pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech, EUA) quebrou todos os recordes: a 10 trilhões de quadros por segundo, pode registrar a luz conforme ela viaja, o que é basicamente em câmera lenta.

Por que isso importa?

Além de ser muito legal, entender como a luz se move é fundamental para muitos campos de pesquisa. Existem aplicações potenciais em física, engenharia e medicina que dependem muito do comportamento da luz em escalas tão pequenas e tão curtas que estão no limite do que pode ser medido.

Avanço importante

Já existe um tipo de câmera, conhecida como streak camera, que pode capturar bilhões ou trilhões de quadros por segundo, mas elas utilizam uma “trapaça” para alcançar esses números. Se um pulso de luz pode ser replicado perfeitamente, podemos emitir um a cada milissegundo, enquanto utilizamos um tempo de captura da câmera ainda menor, de alguns femtossegundos (10 elevado a menos 15 de segundo).

Um pulso de luz capturado pelo sistema T-CUP.

O que acontece é que capturamos o pulso inicial, o próximo pulso quando já está um pouco mais longe, o próximo quando está ainda mais longe e assim por diante. O resultado final é indistinguível da captura do primeiro pulso em alta velocidade.

Isso é altamente eficaz, mas os cientistas não podem contar sempre com a possibilidade de produzir um pulso de luz um milhão de vezes da mesma maneira. Por exemplo, caso precisem ver o que acontece quando um pulso de luz passa por uma lente que o alterará. Nestes casos, é preciso capturar o primeiro pulso em tempo real – o que significa gravar imagens não apenas com a precisão de um femtosegundo, mas separadas por femtossegundos.

T-CUP

Isso é o que a nova câmera com a plataforma T-CUP faz: combina uma streak camera com uma segunda câmera estática e um método de coleta de dados usado na tomografia.

Ilustração detalhada do tubo. Dispositivo acoplado de carga CCD, dispositivo de micro-espelho digital DMD, placa de micro-canal MCP.

 

“Sabíamos que a qualidade da imagem seria limitada usando apenas uma câmera na faixa de femtossegundos. Então, para melhorar isso, adicionamos outra câmera que captura uma imagem estática. Combinado com a imagem adquirida pela streak câmera, podemos usar o que é chamado de transformação de Radon para obter imagens de alta qualidade, enquanto gravamos dez trilhões de quadros por segundo”, explicou um dos autores do estudo, Lihong Wang.

Em outras palavras, a plataforma permite que imagens – tecnicamente, datacubos espaço-temporais – sejam capturadas a apenas 100 femtossegundos de distância. Isso é equivalente a dez trilhões de quadros por segundo, ou seria se houvesse uma forma de armazenamento rápida o suficiente para a qual enviar dez trilhões de datacubos por segundo. Por enquanto, os pesquisadores mantêm a câmera funcionando apenas por alguns quadros por segundo. No caso do experimento abaixo, são 25 quadros que mostram um pulso de laser passando através de um divisor de feixes:

Próximos passos

Esse nível de precisão em tempo real é sem precedentes, mas a equipe ainda quer melhorar a tecnologia.

“Já vemos possibilidades de aumentar a velocidade para até um quatrilhão (1015) de quadros por segundo”, disse o principal autor do estudo, Jinyang Liang, em um comunicado de imprensa.

Capturar o comportamento da luz nessa escala e com este nível de fidelidade é além do que poderíamos sequer sonhar há apenas alguns anos, e pode abrir novas linhas de investigação em física e materiais exóticos.

Fonte: Nature

Cristiane Tavolaro

Sou física, professora e pesquisadora do departamento de física da PUC-SP. Trabalho com Ensino de Física, atuando principalmente em ensino de física moderna, ótica física, acústica e novas tecnologias para o ensino de física. Sou membro fundadora do GoPEF - Grupo de Pesquisa em Ensino de Física da PUC-SP e co-autora do livro paradidático Física Moderna Experimental, editado pela Manole.

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