Разработанный прибор позволяет получать до миллиарда кадров в секунду, фиксируя тем самым хаотичное движение света в ограниченном объеме. По мнению создателей, это даст новый импульс изучению хаотических систем.
Хаотические системы, например, брызги при падении капель или структура растущих ветвей, характеризуются поведением, которое изначально кажется предсказуемым, однако постепенно становится все более непредсказуемым. Учитывая значимость хаотических систем в природе, исследователи стремятся к более глубокому пониманию их принципов работы.
Американские ученые из Калифорнийского технологического института создали устройство, предназначенное для изучения их. В последнем выпуске журнала Science Advances исследователи описали уникальную сверхбыструю камеру: она записывает видео со скоростью один миллиард кадров в секунду и способна зафиксировать движение лазерного луча в помещении, специально разработанном для создания хаотических отражений.
Камера использует технологию под названием compressed ultrafast photography (CUP). В своих первых исследованиях Лихонг Ван продемонстрировал, что устройства, созданные на основе данной технологии, теоретически способны записывать видео с частотой до 70 триллионов кадров в секунду. По мнению исследователя, это позволяет фиксировать движение фотонов.
Кроме того, камера CUP снимает все кадры сразу, в отличие от традиционных аппаратов, которые делают один кадр за раз. Благодаря этому аппарат может запечатлеть весь хаотичный путь лазерного луча в помещении за один раз.
Это критически важно, так как в непредсказуемой системе поведение частиц всегда отличается. Специалисты отмечают, что если бы камера записывала лишь фрагмент происходящего, то изучение определенных типов поведения частиц стало бы невозможным, поскольку они бы не повторялись в последующих экспериментах.
Это можно сравнить с попыткой сделать фотографию птицы, используя камеру, способную запечатлеть лишь фрагмент тела за один снимок. В каждом изображении была бы видна часть тела, принадлежащая птице другого вида. Попытка объединить все снимки в единое целое привела бы к тому, что на изображении появилась бы птица с клювом вороны, шеей аиста, крыльями утки, хвостом ястреба и ногами цыпленка.
Как отметил Ван, способность его камеры CUP запечатлеть хаотическое движение света может вдохнуть новую жизнь в изучение оптического хаоса, которое имеет прикладное значение в физике, связи и криптографии.
«Ранее у нас отсутствовали нужные инструменты для проведения исследований, — отметил он. — Ученые-практики утратили интерес к этой сфере, поскольку не имели возможности проводить эксперименты. Также и теоретики перестали проявлять интерес, так как не могли экспериментально подтвердить свои теории. Теперь мы показали, что разработан инструмент, позволяющий проводить исследования систем».