Wissenschaftler aus Großbritannien und den USA haben zum ersten Mal gezeigt, wie "verdrehte" Schallwellen von einer rotierenden Quelle negative Frequenzen erzeugen können, analog zur Rückdrehzeit.

Ein Forscherteam der Universitäten Glasgow, Exeter und Illinois Wesleyan berichtet in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Science, wie sie ein System aufgebaut haben, das in der Lage ist, den Drehimpuls einer Schallwelle umzukehren, ohne dass Überschallgeschwindigkeiten erforderlich sind.

Der Dopplereffekt ist ein bekanntes Phänomen für jeden, der beobachtet hat, wie ein Krankenwagen vorbeifahrend ist, während er seine Sirene ertönt. Als sich der Krankenwagen dem Beobachter nähert, "stapeln" sich die Schallwellen, erhöhen die Frequenz der Wellen und lassen so den Klang der Sirene in der Tonhöhe ansteigen, ein Prozess, der den Wissenschaftlern als "Blauverschiebung" bekannt ist. Sobald der Krankenwagen vorbeifährt, "strecken" sich die Schallwellen aus, senken ihre Frequenz und lassen die Tonhöhe fallen – eine "Rotverschiebung".

Professor Miles Padgett, Kelvin-Lehrstuhl für Naturphilosophie der Universität Glasgow, sagte: "Wir wissen seit einiger Zeit, dass seltsame Dinge auftreten, wenn der hypothetische Beobachter dem Geräusch einer Ambulanzsirene mit Überschallgeschwindigkeit nachjagt und eine sogenannte "negative" Frequenz erzeugt.

"Bei diesen Geschwindigkeiten würde der Beobachter das Geräusch der Sirene rückwärts hören, anstatt das bekannte sich wiederholende Auf und Ab, weil sich der Beobachter jetzt schneller bewegt als der Klang, den er hört - das jüngste Geräusch, das er macht, wird den Beobachter vor denen erreichen, die er in der Vergangenheit gemacht hat, das Gegenteil davon, wie sich Schall mit Unterschallgeschwindigkeiten bewegt."

Ob Überschall oder Unterschall, was der hypothetische Krankenwagenbeobachter beobachtet, ist besser bekannt als der lineare Dopplereffekt, bei dem sich die Schallwellen in einer geraden Linie bewegen, wenn bewegung zwischen Objekt und Beobachter auftritt.

1981 demonstrierte ein Chemiker namens Bruce Garetz erstmals den Rotations-Doppler-Effekt, bei dem Frequenzverschiebungen auftreten, wenn sich elektromagnetische Wellen (in diesem Fall Lichtwellen) in einem Kreis um einen einzigen Fixpunkt bewegen. Im Gegensatz zu linearen Dopplerverschiebungen wurde nicht gezeigt, dass Rotationsdopplerverschiebungen negative Frequenzen erzeugen, da es keine Bewegung zwischen objekt und Beobachter gibt.

In früheren Forschungen haben Glasgower Forscher untersucht, wie die Rotations-Dopplerverschiebung beeinflusst wird, wenn die elektrischen und magnetischen Felder des Lichts eine Korkenzieher-artige "Drehung" erhalten - eine Eigenschaft, die als Orbitaldrehimpuls oder "OAM" bekannt ist. Ihre Arbeit zeigte, dass das OAM von Laserlicht Doppler-verschoben wird, wenn es auf eine rotierende reflektierende Oberfläche trifft und Informationen über die Rotationsrate der Oberfläche trägt.

In ihrer neuen Forschung entschieden sie sich zu untersuchen, wie das OAM von Schallwellen durch Rotation beeinflusst wird. Dazu ordneten sie 16 Lautsprecher zu einem Kreis an und standen zwei Mikrofonen gegenüber, die auf einem rotierenden Ring montiert waren. Indem sie die Mikrofone sehr leicht versetzt voneinander anordneten, konnten sie die Größe und den gerichteten OAM der akustischen Wellen der Lautsprecher als rotierende Ringspanne messen.

Dr. Graham Gibson von der School of Physics and Astronomy der University of Glasgow, ein Hauptautor der Arbeit, fügte hinzu: "Wir fanden heraus, dass wir tatsächlich negative rotations-Doppler-verschobene akustische Wellen erzeugen konnten, die das OAM der Welle umkehrten, was bisher nicht demonstriert wurde - im Wesentlichen könnten wir die Drehung der akustischen Wellen umkehren.

"Darüber hinaus könnten wir diese negativen Frequenzen erzeugen, während sich unser Mikrofonring bei sehr niedrigen Unterschallgeschwindigkeiten mit einer Rotationsrate von etwa 25 Hz erstreckt, was bei linearen Dopplerverschiebungen unmöglich ist."

Dr. Dave Phillips von der University of Exeter fügte hinzu: "Es ist ein sehr interessanter Befund mit potenziellen Anwendungen in einer Reihe von wissenschaftlichen Disziplinen, einschließlich der Quantenfeldtheorie. Wir sind sehr daran interessiert, die Auswirkungen der Ergebnisse auch in Zukunft zu untersuchen."

Die Arbeit des Teams mit dem Titel "Reversal of Orbital Angular Momentum arising from an Extreme Doppler Shift" wurde in Proceedings of the National Academy of Science veröffentlicht.

Die Forschung wurde durch Mittel des Europäischen Forschungsrats, der Royal Academy of Engineering und des EPSRC Centre for Doctoral Training in Intelligent Sensing and Measurement unterstützt.