Lần đầu tiên ghi lại được cảnh tia laser di chuyển trong không khí

Bằng cách sử dụng camera tốc độ xấp xỉ 20 tỷ khung hình/giây, các nhà khoa học đã lần đầu tiên quay lại được đoạn video cho thấy một chùm laser đang di chuyển trong không khí với thời gian 6 nano giây.

Trước giờ, đây là cảnh tượng chỉ thấy xuất hiện trong các bộ phim khoa học viễn tưởng, được dựng bằng kỹ xảo điện ảnh chứ chưa hề được ghi lại trong thực tế. Việc bố trí thành công thí nghiệm này, các nhà khoa học chẳng những có thể vượt qua một thách thức trong khoa học, mà còn tạo tiền đề mở ra nhiều phát hiện quan trọng khác trong tương lai như máy ảnh chụp đồ vật ẩn hoặc các hiện tượng diễn ra trong khoảng khắc cực nhanh.

Cảnh dùng súng laser để bắn ra các vệt dài bay trong không khí trước giờ chỉ xuất hiện trong phim khoa học viễn tưởng, trên thực tế chúng ta khó lòng nhìn thấy được điều này. Để bắt lại được quá trình di chuyển của laser, hoặc bất kỳ nguồn sáng nào, các photon từ đó phải đi trực tiếp vào mắt người. Nhưng thường thì các photon laser trong chùm tia sẽ được tập trung chiếu vào cùng một điểm, do đó đến khi chùm tia này chiếu vào một vật nào thì chúng ta mới có thể nhìn thấy được một chấm nhỏ xíu trên vật thể đó.

Ảnh chụp quá trình chùm laser di chuyển trong không khí​

Dẫu cũng có một phần nhỏ các photon laser bị tán xạ bởi các phân tử trong không khí, nhưng thường thì lượng ánh sáng này quá nhỏ để có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Trên thực tế, chúng ta có thể nhìn thấy được điều này khi bắn tia laser qua một làn khói để chúng được tán xạ nhiều hơn. Tuy nhiên các nhà khoa học vẫn luôn muốn quay lại được cảnh tia laser bay giống như trong phim. Tiến sĩ vật lý Genevieve Gariepy tại Đại học Heriot-Watt cho biết: "Thách thức ở đây là quay lại được cảnh đường đi của ánh sáng giống như trong phim. Chúng tôi muốn nhìn thấy ánh sáng mà không hề tác động vào nó, chỉ đơn giản là nhìn nó di chuyển mà thôi".

Bố trí quay cảnh chuyển động laser của nhóm nghiên cứu​

Để làm được điều này, Gariepy và các đồng nghiệp của cô đã xây dựng nên một camera có độ nhạy đủ cao để bắt được chuyển động của một vài photon. Camera này được tạo nên từ lưới 32x32 cảm biến có thể ghi lại được thời gian di chuyển của 1 photon với độ chính xác đáng kinh ngạc, tương đương với tốc độ khoảng 20 tỷ khung hình/giây và độ phân giải 1024 pixel. Sau đó, nhóm bắn 1 chùm tia laser màu xanh lá cây vào 1 chiếc gương để nó phản chiếu lại. 2 triệu xung laser được bắn ra trong khoảng 10 phút và quá trình này được giảm tối đa độ nhiễu, cuối cùng thì nhóm cũng tạo ra đủ lượng photon laser tán xạ vào không khí mà camera có thể ghi lại được con đường di chuyển của nó.

Ban đầu, nhóm chỉ có ý định biến cảnh tượng mang tính kỹ xảo trong phim viễn tưởng thành hiện thực, nhưng Gariepy cho rằng thí nghiệm thành công đã mở ra thêm nhiều ứng dụng thực tiễn trong tương lai. Thông tin về quá trình di chuyển của photon có thể cung cấp dữ liệu trên 2 kênh không gian lẫn thời gian. Thông tin thời gian có thể được dùng để nghiên cứu những quá trình động xảy ra ở thời gian cực nhanh, trong khi dữ liệu về không gian có thể được sử dụng để chụp lại được những vật thể bị ẩn bằng cách tính toán quá trình ánh sáng chiếu tới vật thể và phản xạ trở lại máy ảnh.