156 trilhões de FPS: como funciona a câmera mais rápida do mundo?

Em um novo estudo publicado na revista Nature Communications, cientistas descreveram a câmera mais rápida do mundo: um aparelho capaz de capturar imagens numa taxa de 156 trilhões de quadros por segundo (ou frames per second — FPS). Isso, de acordo com os pesquisadores, abre uma brecha para que fenômenos ultrarrápidos que antes eram impossíveis de ver possam ser analisados pelos seres humanos.

Essa tecnologia também pode fornecer informações valiosas que impactam diferentes campos de pesquisa e desenvolvimento, desde a criação de novas tecnologias de aprendizado de memória em computadores até tratamentos médicos de ultrassom.

Apetrecho revolucionário

Em entrevista ao Live Science, o autor principal do estudo e professor do Instituto Nacional de Pesquisa Científica (INRS) do Quebec, Jinyang Liang, afirmou que a nova câmera será uma peça muito importante para a pesquisa científica. "Estamos prestes a desenvolver um sistema de imagem muito genérico que nos permita ver muitos fenômenos que antes não eram acessíveis", pontuou.

De modo geral, fenômenos ultrarrápidos não eram muito bem assimilados até mesmo pelas câmeras mais modernas, uma vez que seus sensores só conseguem capturar imagens a uma taxa de várias centenas de milhões de FPS. Isso se torna um problema para observar alguns eventos da natureza, que ocorrem em escalas de tempo cinco ou seis vezes mais rápidas que isso.

Em 2020, então, Liang coordenou um artigo sobre uma abordagem chamada "fotografia ultrarrápida comprida", atingindo resultados de até 70 trilhões de FPS. Anos mais tarde, seu laboratório conseguiu mais que dobrar esse recorde com uma abordagem apelidada de "femtofotografia em tempo real com abertura codificada por varredura".

Essa técnica depende de uma fonte de luz especial conhecida como laser "chirped", onde os comprimentos de onda da luz são estendidos para que luz de cores diferentes cheguem em momentos distintos. Sendo assim, quando um pulso de laser é disparado contra um objeto, cada comprimento de onda captura informações de diferentes pontos no tempo.

Capturando mínimos detalhes

Na configuração estabelecida por Liang e sua equipe, a luz passa por uma grade que divide os comprimentos de onda e os envia em diferentes direções. Então, eles passam por uma máscara, que acaba criando uma espécie de QR Code. Por fim, outra grade recombina todos os comprimentos de onda em um único feixe, o qual atinge um sensor de imagem.

Para decodificar esses dados, um software especial é usado para descobrir quais partes do sinal vêm de qual comprimento de onda. Isso possibilita dividir um único instante em vários quadros para criar um filme curto. Essa tecnologia permite que os cientistas registrem fenômenos em femtossegundos — um quatrilionésimo de segundo.

Em seu artigo, Liang disse que a nova tecnologia foi configurada para registrar um semicondutor absorvendo fótons de um pulso de laser, mas que também pode apresentar outros usos relevantes no futuro. Por exemplo, os pesquisadores esperam que essa ferramenta também possa ser usada para registrar como as células respondem às ondas de choque causadas por dispositivos de ultrassom e muito mais.