Szybko, coraz szybciej

Najszybsza kamera rejestrująca ruch jest zdolna do przechwycenia 70 bilionów klatek na sekundę. Dzięki temu możliwe jest obrazowanie przemieszczania wiązki światła poruszającej się z prędkością graniczną 300 tys. km/s na 233 klatkach filmu dla każdego milimetra jej ruchu. Jest ona stosowana m.in. do badania reakcji termojądrowych, rozkładu molekuł, transportu fotonów czy właśnie ruchu wiązek światła. Oczywiście ten rekord może zostać w każdej chwili pobity, bo konkurencja, potrzeby i oczekiwania naukowców są w tej dziedzinie duże. Z kolei najszybsza kamera tradycyjna – optyczna, mogąca rejestrować ruchome obiekty w większej skali i rozdzielczości, potrafi zapisać w ciągu sekundy rewelacyjne 1,75 mln klatek. Jeżeli chcielibyśmy jednak zapisywać zdjęcia w rozdzielczościach, do których jesteśmy przyzwyczajeni, czyli Full HD lub 4K, wówczas nasze apetyty musi zaspokoić skromne kilkanaście tysięcy klatek na sekundę, co i tak jest znakomitym wynikiem, zważywszy na ilość rejestrowanych w ciągu sekundy danych.

Szczególnym zastosowaniem dla ultraszybkich kamer jest rejestrowanie obrazów i filmów trójwymiarowych. Wymaga to zastosowania dwóch kamer działających równolegle, najlepiej w ramach pojedynczego układu optycznego. Ogromną rolę w działaniu tego rodzaju urządzeń odgrywa moc obliczeniowa i algorytmy użyte do przetwarzania obrazu. Programiści wspólnie z naukowcami tworzą niezwykle zaawansowane rozwiązania, w ramach których np. obydwie kamery dla oszczędności czasu i pamięci rejestrują wiele klatek obrazu nagranych na pojedynczej klatce (odpowiednik wielokrotnego naświetlania tej samej kliszy), które dopiero po przesłaniu do komputera są automatycznie przetwarzane do trójwymiarowego filmu. Fascynujące!

Jak to wykorzystać? Na przykład w celu wyjaśnienia zjawisk, o których istnieniu wiemy, ale których przyczyn nie znamy. Takim zjawiskiem jest sonoluminescencja, czyli emisja krótkich impulsów świetlnych w chwili zapadania się bąbelków gazu zawieszonych w cieczy pod wpływem ciśnienia akustycznego. Takie zjawisko zaobserwowano po raz pierwszy podczas prac prowadzących do przyspieszenia procesu wywoływania klisz fotograficznych, ale nie udało się jak dotąd wyjaśnić jego przyczyny, gdyż nie dość, że emitowane błyski trwają kilkaset pikosekund, mają w szczycie moc około 10 miliwatów, a większość energii jest emitowana w paśmie ultrafioletu, to same bąbelki mają średnicę około mikrometra.

Kiedy interesują nas zjawiska niesłychanie szybkie i na dodatek potrzebujemy przyjrzeć się bardzo małym obiektom (np. odkształceniom struktury atomowej), potrzebujemy szczególnych narzędzi. Jednym z nich jest laser rentgenowski dużej mocy. Zespół naukowców z SLAC National Accelerator Laboratory, Departamentu Energii oraz Uniwersytetu Stanforda wykorzystali go do obserwacji zasady funkcjonowania ołowiowych ogniw perowskitowych, które mogą stanowić klucz do zdecydowanie wydajniejszych hybrydowych ogniw słonecznych.

Perowskity budzą zrozumiałe emocje, gdyż łączą potencjał dużej wydajności z niskim kosztem wytworzenia energii. Nadal jednak trwają spory dotyczące zasady ich działania. Jedną z hipotez są tzw. polarony – nietrwałe kwazicząstki powstające jako wynik lokalnego odkształcenia sieci krystalicznej spowodowanego oddziaływaniem elektrostatycznym w wyniku przemieszczania się naładowanej cząstki w krysztale. Obserwacja ich powstawania (trwająca bilionowe części sekundy) i rozwoju (rozmiaru, kształtu i zmian) wymaga zastosowania najwydajniejszego na świecie lasera rentgenowskiego i nie była wcześniej możliwa.

Potężnym źródłem niesłychanie krótkich impulsów świetlnych, wykorzystanym w ramach eksperymentów z perowskitami, jest Linac Coherent Light Source II (LCLS II), laser zainstalowany w Menlo Park w Kalifornii, zdolny do obrazowania materiałów w niemalże atomowych szczegółach i uchwycenia ruchu zachodzącego w milionowych chwilach miliardowej części sekundy. Jedną z jego cech charakterystycznych jest praca w temperaturze 2 stopni Kelwina (schładzany ciekłym helem). Poprzednik – LCSL I był narzędziem, dzięki któremu dokonano serii ważnych odkryć w dziedzinie fizyki cząstek, które zakończyły się uzyskaniem trzech Nagród Nobla. Laser drugiej generacji jest zdecydowanie szybszy od swego poprzednika, umożliwiając wykonywanie eksperymentów wcześniej niedostępnych (ze względu na zbyt małą moc) lub zbyt czasochłonnych (blokujących urządzenie na wiele miesięcy – dziś możliwych do wykonania w ciągu kilkudziesięciu minut).

Perowskity ołowiowe są minerałami najczęściej badanymi, pomimo tego, że w ich składzie obecny jest ołów, czyli pierwiastek niebezpieczny dla zdrowia ludzi i zwierząt. Ich połączenie w tandemie z tradycyjnymi ogniwami krzemowymi mogłoby podnieść sprawność przyszłych paneli fotowoltaicznych nawet do 44 proc., więc jest o co walczyć.

Fascynując się na co dzień możliwością rejestracji filmów smartfonem z prędkością 240 klatek na sekundę, warto wiedzieć, że dostępne są w sprzedaży zdecydowanie szybsze urządzenia rejestrujące. Te zaś, którymi dysponują naukowcy, biją na głowę jakiekolwiek kamery dostępne w sprzedaży, a przy tym mogą rejestrować obrazy w absolutnej mikroskali. Za to do rejestracji domowych filmów absolutnie się nie nadają.

Krzysztof Hajdrowski

Czytaj dalej