Isossa-Britanniassa ja Yhdysvalloissa toimivat tutkijat ovat ensimmäistä kertaa osoittaneet, kuinka pyörivästä lähteestä tulevat 'kiertyneet' ääniaallot voivat tuottaa negatiivisia taajuuksia, mikä on verrattavissa ajan taaksepäin kääntämiseen.

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 nähneet ambulanssin kulkevan ohi sireenin soittaessa. Kun ambulanssi lähestyy tarkkailijaa, ääniaallot 'kasaantuvat', nostaen aaltojen taajuutta ja saaden sireenin äänen nousemaan sävelkorkeuteen, prosessi, jota tiedemiehet kutsuvat 'sinisiirtymäksi'. Kun ambulanssi kulkee ohi, ääniaallot 'venyvät', laskevat taajuuttaan ja laskevat sävelkorkeutta – eli 'punasiirtymä'.

Glasgow'n yliopiston Kelvin-luonnonfilosofian professori Miles Padgett sanoi: "Olemme jo jonkin aikaa tienneet, että outoja asioita tapahtuu, kun hypoteettinen havaitsija jahtaa ambulanssin sireenistä supersonisella nopeudella lähtevää ääntä ja luo sen, mitä voisimme kutsua 'negatiiviseksi'.

"Näillä nopeuksilla havaitsija kuulisi sireenin äänen taaksepäin sen sijaan, että se olisi tuttu toistuva nousu ja lasku, koska tarkkailija liikkuu nyt nopeammin kuin se ääni, jonka hän kuulee – viimeisin ääni saavuttaa havaitsijan ennen aiemmin, päinvastaista kuin ääni liikkuu alinopeudella."

Olipa kyseessä yliääninen tai aliääninen, hypoteettinen ambulanssivalvoja havaitsee tarkemmin lineaarisen Doppler-ilmiön, jossa ääniaallot kulkevat suorassa linjassa liikkeen aikana kohteen ja havaitsijan välillä.

Vuonna 1981 kemisti nimeltä Bruce Garetz demonstroi ensimmäisenä pyörivän Doppler-ilmiön, jossa taajuussiirtymät tapahtuvat, kun sähkömagneettiset aallot (tässä tapauksessa valoaallot) liikkuvat ympyrää yhden kiinteän pisteen ympärillä. Toisin kuin lineaariset Doppler-siirtymät, pyörimis-Doppler-siirtymät eivät ole osoittaneet tuottavan negatiivisia taajuuksia, koska kappaleen ja havaitsijan välillä ei ole liikettä.

Aiemmissa tutkimuksissaan Glasgow'n tutkijat ovat tutkineet, miten pyörimisdoppler-siirtymä muuttuu, kun valon sähkö- ja magneettikentille annetaan korkkiruuvimainen 'kierto' – ominaisuus, jota kutsutaan kiertoradan kulmamomentiksi eli 'OAM:ksi'. Heidän työnsä osoitti, että laservalon OAM on Doppler-siirtymä, kun se osuu pyörivään heijastavaan pintaan, ja se kantaa tietoa pinnan pyörimisnopeudesta.

Uudessa tutkimuksessaan he päättivät tutkia, miten ääniaaltojen OAM:iin vaikuttaa pyöriminen. Tätä varten he järjestivät 16 kaiutinta ympyrään, vastakkain kahta mikrofonia, jotka oli kiinnitetty pyörivälle renkaalle. Järjestämällä mikrofonit hyvin hieman toisiinsa nähden, ne pystyivät mittaamaan kaiuttimien akustisten aaltojen voimakkuuden ja suunnan OAM:n pyörivänä rengaskaarena.

Glasgow'n yliopiston fysiikan ja tähtitieteen tiedekunnan tohtori Graham Gibson, joka on tutkimuksen pääkirjoittaja, lisäsi: "Huomasimme, että pystyimme todella tuottamaan negatiivisia pyöriviä Doppler-siirtymän akustisia aaltoja, jotka käänsivät aallon OAM:n, mikä on jotain, mitä ei ole aiemmin osoitettu – käytännössä pystyimme kääntämään akustisten aaltojen kiertymisen.

"Lisäksi voisimme tuottaa nämä negatiiviset taajuudet samalla kun mikrofonin renkaat ulottuvat hyvin matalilla, alisonisilla nopeuksilla, pyörimisnopeudella noin 25Hz, mikä on mahdotonta lineaarisissa Doppler-siirroissa."

Exeterin yliopiston tohtori Dave Phillips lisäsi: "Se on erittäin mielenkiintoinen havainto, jolla on potentiaalisia sovelluksia monilla tieteellisillä aloilla, mukaan lukien kvanttikenttäteoriassa. Olemme innokkaita jatkamaan tutkimusten vaikutusten tutkimista tulevaisuudessa."

Tiimin artikkeli, nimeltään 'Orbital Angular Momentum arising from an Extreme Doppler Shift', on julkaistu Proceedings of the National Academy of Science -lehdessä.

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