Фізики з США і Канади побудували камеру, яка записує електромагнітні хвилі зі швидкістю близько 10 трильйонів кадрів на секунду, тобто дозволяє розрізнити події, розділені проміжком близько 100 фемтосекунд. Для цього вчені записували плоскі проекції тривимірного процесу, а потім вирішували завдання оптимізації і відновлювали вихідне зображення. Стаття опублікована в і знаходиться у вільному доступі.
Більшість звичних для нас процесів відбуваються порівняно повільно, так що ми можемо легко зняти їх за допомогою звичайної камери, яка працює з частотою близько 30-60 кадрів в секунду. Однак деякі процеси фізики та біології потребують набагато більшого тимчасового дозволу. Зокрема, щоб побачити «відрив» електрона від атома або зареєструвати рух світлової хвилі, яка поширюється в речовині зі швидкістю близько 200 тисяч кілометрів в секунду, потрібно використовувати камери, що працюють з частотою більше трильйона кадрів в секунду. Незважаючи на те, що такі камери вже давно існують, вони мають недоліки, які сильно обмежують область їх застосування.
Зараз найпоширеніший метод реєстрації надшвидких процесів спектроскопії заснований на збудженні зразка за допомогою лазера і подальшому вимірі його «відгуку». Це так звані накачувально-зондуючі вимірювання (pump-probe measurements). Незважаючи на те, що цей спосіб дозволяє досягти фемтосекундної роздільної здатності за часом (1015 кадрів на секунду), він може працювати тільки в тому випадку, якщо досліджувані процеси досить точно відтворюють самі себе в часі. Грубо кажучи, при накачувально-зондуючих вимірах «кіно» знімається за наступною схемою. Спочатку вчені «висвічують» за допомогою спалаху фемтосекундного лазера перший кадр процесу. Коли процес завершиться, дослідники запускають його знову і «висвічують» другий кадр, затримуючи спалах на кілька фемтосекунд. Потім експериментатори повторюють ці дії ще багато разів, а потім склеюють кадри. На жаль, далеко не всі процеси точно відтворюють себе в часі - наприклад, біологічні процеси в основному протікають випадково. Крім того, для підвищення точності вимірювань оптична система може бути так тонко налаштована, що перший же імпульс лазера змінить її параметри, і відтворити процес не вдасться. У цих випадках накачувально-зондуючі вимірювання виконати неможливо.
З іншого боку, для спостережень за надшвидкими процесами можна використовувати просторово-тимчасову подвійність рівнянь електродинаміки. Простіше кажучи, подвійність дозволяє перетворити часову розгортку імпульсу світла в просторову, а потім записати її на умовній фотопластинці. Чим раніше в часі розташований «кадр» процесу, тим ближче до початку фотопластинки буде знаходитися його зображення. На цій властивості рівнянь базуються клацання камери (streak camera), які створюють зображення за допомогою електронів, що вибиваються імпульсом світла з фотокатода. Сучасні щілинні камери дозволяють записувати імпульси з частотою близько трильйона кадрів на секунду. Зрозуміло, така камера здатна записати не тільки повторювані, а й поодинокі процеси. Тим не менш, якість зображень, створених щілинною камерою, порівняно невисока, а тому фізики намагаються збільшити її тимчасово і просторове роздільна здатність іншими способами.
Група вчених під керівництвом Цзіньянь Ляна (Jinyang Liang) поєднала лужну камеру і стисле зчитування (compressed sensing) за допомогою методу стисненої надшвидкої фотографії (compressed ultrafast photography) і навчилася реєструвати процеси з частотою близько 10 трильйонів кадрів на секунду. Для цього дослідники дотримувалися наступної схеми. Спочатку фізики збирали «сирі» дані про процес - для цього розділили на дві частини пучок світла, що виходить від процесу, і записали два його зображення. Зображення першого пучка записувалося безпосередньо лояльною матрицею, яка фактично здійснювала почесне перетворення Радона з фіксованим кутом. Перетворення Радона () - це інтеграл від функції вздовж прямої, яка перпендикулярна вектору (cos^, sin^) і проходить на відстані від початку координат. По суті своїй перетворення Радона нагадує перетворення Фур'є (зокрема, воно звернемо). Другий пучок пропускався крізь псевдопромінювальний двійковий патерн (чорно-біла платівка на малюнку), зсувався за часом, розвертався щілинною камерою і записувався ще однією матрицею. Це зображення можна розглядати як перетворення Радона з кутом, який залежить від швидкості зсуву клацання камери. Таким чином, вчені за один крок записували дві однойменні проекції тривимірної динамічної сцени (2 просторових + 1 тимчасово вимірювання). Нарешті, фізики відновлювали тривимірне зображення вихідного процесу з його проекцій, вирішуючи завдання оптимізації, тобто мінімізуючи функціонал від шуканого розподілу інтенсивності при відомих результатах його перетворення.
У результаті вчені навчилися записувати процеси з тимчасовою роздільною здатністю в діапазоні від 0,5 до 10 трильйонів кадрів на секунду. На практиці тривалість таких «фільмів» сягала 350 кадрів (тобто близько 10 пікосекунд), а розміри кожного кадру становили 450 150 пікселів. Довші «фільми» вченим створити не вдалося, оскільки вони не змогли знайти сховище, яке здатне так швидко записувати великі обсяги даних.
Як приклад фізики зняли, як лазерний імпульс з довжиною хвилі близько 800 нанометрів і тривалістю близько 50 фемтосекунд проходить крізь двоміліметрову скляну платівку (коефіцієнт заломлення - 1,5) і розділяється на два пучки. За теоретичними оцінками, світлу потрібно близько 10 пікоосекунд, щоб пройти крізь таку платівку. На практиці вчені отримали 9,6 пікосекунд, а також записали відео процесу.
Автори статті стверджують, що метод, який вони використовували в цій роботі, теоретично дозволяє записувати «фільми» зі швидкістю понад квадрильйон (1015) кадрів на секунду. Такі високі швидкості дозволять детально вивчити незворотні хімічні реакції і досліджувати динаміку наноструктур. Раніше метод CUP дозволяв отримати тимчасово роздільну здатність не вище 100 мільярдів кадрів на секунду.
З кожним роком вчені все більше і більше збільшують тимчасово роздільну здатність камер, які знімають надшвидкі процеси - наприклад, рух ударної хвилі світла. Так, в 2015 році максимальна «скорострільність» камери вперше перевищила один трильйон кадрів в секунду, а навесні 2017 року досягла п'яти трильйонів кадрів в секунду. Зараз найкоротший проміжок часу становить приблизно 850 зептосекунд (8,5 ст.110 ‑ 19 секунд) - щоб досягти такого хорошого тимчасово дозволеного дозволу, вчені багато разів опромінювали атом гелію інфрачервоним і ультрафіолетовим лазером, а потім ретельно аналізували процес поглинання і перевипромінювання фотонів.