Isossa-Britanniassa ja Yhdysvalloissa toimivat tutkijat ovat osoittaneet ensimmäistä kertaa, kuinka pyörivästä lähteestä tulevat "kiertyneet" ääniaallot voivat tuottaa negatiivisia taajuuksia, jotka vastaavat ajan kääntämistä taaksepäin.

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

Doppler-ilmiö on tuttu ilmiö kaikille, jotka ovat nähneet ambulanssin kulkevan ohi sireeniä soittaessaan. Kun ambulanssi lähestyy tarkkailijaa, ääniaallot "kasaantuvat", mikä nostaa aaltojen taajuutta ja saa siten sireenin äänen nousemaan, prosessi, jonka tutkijat tuntevat "sinisiirtymänä". Kun ambulanssi kulkee ohi, ääniaallot "venyvät", alentavat niiden taajuutta ja laskevat sävelkorkeutta – "punasiirtymä".

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

"Näillä nopeuksilla tarkkailija kuulisi sireenin äänen taaksepäin tutun toistuvan nousun ja laskun sijaan, koska tarkkailija liikkuu nyt nopeammin kuin kuulemansa ääni – viimeisin sen tuottama ääni saavuttaa havaitsijan ennen kuin se teki aiemmin, päinvastoin kuin ääni kulkee aliääninopeuksilla."

Olipa kyseessä yliääni- tai aliääni, hypoteettinen ambulanssitarkkailija havaitsee paremmin lineaarisena Doppler-ilmiönä, jossa ääniaallot kulkevat suorassa linjassa liikkeen tapahtuessa kohteen ja tarkkailijan välillä.

Vuonna 1981 kemisti nimeltä Bruce Garetz esitteli ensimmäisen kerran rotaatio-Doppler-ilmiön, jossa taajuusmuutoksia tapahtuu, kun sähkömagneettiset aallot (tässä tapauksessa valoaallot) liikkuvat ympyrässä yhden kiinteän pisteen ympäri. Toisin kuin lineaariset Doppler-siirtymät, pyörivien Doppler-siirtymien ei ole osoitettu tuottavan negatiivisia taajuuksia, koska kohteen ja havaitsijan välillä ei ole liikettä.

Aikaisemmissa tutkimuksissa Glasgow'n tutkijat ovat tutkineet, 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 on Doppler-siirtymässä, kun se osuu pyörivään heijastavaan pintaan, ja se kuljettaa tietoa pinnan pyörimisnopeudesta.

Uudessa tutkimuksessaan he päättivät tutkia, miten pyöriminen vaikuttaa ääniaaltojen OAM:iin. Tätä varten he järjestivät 16 kaiutinta ympyrään, vastapäätä kahta mikrofonia, jotka oli asennettu pyörivään renkaaseen. Järjestämällä mikrofonit hyvin hieman toisistaan siirtymään ne pystyivät mittaamaan kaiuttimista tulevien akustisten aaltojen suuruuden ja suunnatun OAM:n pyörivän renkaan välisyydenä.

Tohtori Graham Gibson Glasgow'n yliopiston fysiikan ja tähtitieteen laitokselta, artikkelin pääkirjoittaja, lisäsi: "Havaitsimme, että pystyimme todellakin tuottamaan negatiivisia pyöriviä Doppler-siirtymäisiä akustisia aaltoja, jotka kääntävät aallon OAM:n, mitä ei ole aiemmin osoitettu – pohjimmiltaan pystyimme kääntämään akustisten aaltojen kiertymisen.

"Lisäksi voisimme tuottaa näitä negatiivisia taajuuksia, kun mikrofonirenkaamme ulottuu hyvin pienillä, ääntä alhaisella nopeudella noin 25 Hz:n pyörimisnopeudella, mikä on mahdotonta lineaarisissa Doppler-siirroissa."

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."

Ryhmän tutkimus otsikolla "Reversal of Orbital Angular Momentum from an Extreme Doppler Shift" on julkaistu Proceedings of the National Academy of Science -lehdessä.

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