Isossa-Britanniassa ja Yhdysvalloissa toimivat tutkijat ovat ensimmäistä kertaa osoittaneet, kuinka pyörivän lähteen "kieroutunut" ääniaallot voivat tuottaa negatiivisia taajuuksia, jotka vastaavat kääntymistä ajassa taaksepäin.

Glasgow'n, Exeterin ja Illinois Wesleyanin yliopistojen tutkijaryhmä raportoi Proceedings of the National Academy of Science -lehdessä, kuinka he ovat rakentaneet järjestelmän, joka kykenee kääntämään ääniaallon kulmamomentin ilman yliääninopeuksia.

Doppler-ilmiö on tuttu ilmiö kaikille, jotka ovat havainneet ambulanssin kulkevan ohi sireeniä soittaen. Kun ambulanssi lähestyy tarkkailijaa, ääniaallot "kasaantuvat", mikä nostaa aaltojen taajuutta ja aiheuttaa siten sireenin äänen nousun, prosessin, jonka tutkijat tuntevat "sinisiirtymänä". Kun ambulanssi kulkee, ääniaallot "venyvät", alentavat taajuuttaan ja pudottavat sävelkorkeutta - "punasiirtymä".

Glasgow'n yliopiston luonnonfilosofian Kelvin-professori Miles Padgett sanoi: "Olemme tienneet jo jonkin aikaa, että outoja asioita tapahtuu, kun hypoteettinen tarkkailija jahtaa ambulanssisireenin ääntä yliääninopeudella ja luo niin kutsutun 'negatiivisen' taajuuden.

"Näillä nopeuksilla tarkkailija kuulisi sireenin äänen taaksepäin tutun toistuvan nousun ja laskun sijaan, koska tarkkailija liikkuu nyt nopeammin kuin kuulemansa ääni - viimeisin ääni, jonka se tekee, saavuttaa tarkkailijan ennen aiempia, päinvastoin kuin ääni kulkee ääntä hitaammilla nopeuksilla."

Olipa kyseessä yliääni tai aliääni, hypoteettinen ambulanssin tarkkailija havaitsee paremmin lineaarisen Doppler-ilmiön, jossa ääniaallot kulkevat suorassa linjassa liikkeen tapahtuessa kohteen ja tarkkailijan välillä.

Vuonna 1981 kemisti nimeltä Bruce Garetz osoitti ensimmäisen kerran pyörivän Doppler-vaikutuksen, jossa taajuusmuutokset tapahtuvat, kun sähkömagneettiset aallot (tässä tapauksessa valoaallot) liikkuvat ympyrässä yhden kiinteän pisteen ympärillä. Toisin kuin lineaariset Doppler-siirtymät, pyörivien Doppler-siirtymien ei ole osoitettu tuottavan negatiivisia taajuuksia, koska kohteen ja havaitsijan välillä ei ole liikettä.

Aiemmissa tutkimuksissa Glasgow'n tutkijat ovat selvittäneet, miten pyörivä Doppler-siirtymä vaikuttaa, kun valon sähkö- ja magneettikentille annetaan korkkiruuvityylinen "kierre" - ominaisuus, joka tunnetaan nimellä kiertoradan kulmamomentti tai "OAM". Heidän työnsä osoitti, että laservalon OAM siirtyy, kun se osuu pyörivään heijastavaan pintaan, ja kuljettaa tietoa pinnan pyörimisnopeudesta.

Uudessa tutkimuksessaan he päättivät tutkia, miten pyöriminen vaikuttaa ääniaaltojen OAM: ään. Tätä varten he järjestivät 16 kaiutinta ympyrään kahden pyörivään renkaaseen asennetun mikrofonin edessä. Järjestämällä mikrofonit hyvin hieman toisistaan ne pystyivät mittaamaan kaiuttimista tulevien akustisten aaltojen voimakkuuden ja suunnan OAM: n pyörivän renkaan ulottuessa.

Tohtori Graham Gibson Glasgow'n yliopiston fysiikan ja tähtitieteen korkeakoulusta, tutkimusjulkaisun pääkirjoittaja, lisäsi: "Havaitsimme, että voimme todellakin tuottaa negatiivisia pyöriviä Doppler-siirtyneitä akustisia aaltoja, jotka käänsivät aallon OAM: n, mitä ei ole osoitettu aiemmin - pohjimmiltaan voisimme kääntää akustisten aaltojen kierteen.

"Lisäksi pystyimme tuottamaan näitä negatiivisia taajuuksia, kun mikrofonirenkaamme ulottuu hyvin alhaisilla, ääntä hitaammilla nopeuksilla, pyörimisnopeudella noin 25 Hz, mikä on mahdotonta lineaarisissa Doppler-siirtymissä."

Tohtori Dave Phillips Exeterin yliopistosta lisäsi: "Se on erittäin mielenkiintoinen havainto, jolla on potentiaalisia sovelluksia useilla tieteenaloilla, mukaan lukien kvanttikenttäteoria. Olemme innokkaita jatkamaan löydösten vaikutusten tutkimista tulevaisuudessa."

Tutkimusryhmän tutkimus, nimeltään "Reversal of Orbital Angular Momentum arising from an Extreme Doppler Shift", on julkaistu Proceedings of the National Academy of Science -lehdessä.

Tutkimusta tukivat Euroopan tutkimusneuvosto, Royal Academy of Engineering ja EPSRC Centre for Doctoral Training in Intelligent Sensing and Measurement.