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

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

Der Doppler-Effekt ist ein bekanntes Phänomen für jeden, der schon einmal einen Krankenwagen vorbeifahren sah, während er seine Sirene ertönen ließ. Wenn sich der Krankenwagen dem Beobachter nähert, "türmen" sich die Schallwellen auf, wodurch die Frequenz der Wellen ansteigt und so der Klang der Sirene ansteigt, ein Prozess, der den Wissenschaftlern als "Blauverschiebung" bekannt ist. Sobald der Krankenwagen vorbeifährt, "dehnen" sich die Schallwellen, senken ihre Frequenz und senken die Tonhöhe ab – eine "Rotverschiebung".

Professor Miles Padgett, Kelvin-Lehrstuhl für Naturphilosophie an der Universität Glasgow, sagte: "Wir wissen seit einiger Zeit, dass seltsame Dinge passieren, wenn der hypothetische Beobachter dem Geräusch einer Krankenwagensirene mit Überschallgeschwindigkeit nachjagt und das erzeugt, was man eine 'negative' Frequenz nennen könnte.

"Bei diesen Geschwindigkeiten würde der Beobachter den Klang der Sirene rückwärts hören, anstatt das bekannte sich wiederholende Auf und Ab, weil der Beobachter sich jetzt schneller bewegt als der Ton, den er hört – der jüngste Ton, den er erzeugt, erreicht den Beobachter vor denen, die er in der Vergangenheit gemacht hat, das Gegenteil davon, wie sich Schall mit Unterschallgeschwindigkeit ausbreitet."

Ob Überschall oder Unterschall, was der hypothetische Ambulanzbeobachter beobachtet, ist eher als linearer Dopplereffekt bekannt, bei dem sich die Schallwellen in einer geraden Linie bewegen, wenn eine Bewegung zwischen Objekt und Beobachter stattfindet.

Im Jahr 1981 wies ein Chemiker namens Bruce Garetz erstmals den Rotations-Doppler-Effekt nach, 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 dem Objekt und dem Beobachter gibt.

In früheren Forschungen haben Forscher aus Glasgow untersucht, wie sich die Rotationsdopplerverschiebung auswirkt, wenn die elektrischen und magnetischen Felder des Lichts eine korkenzieherartige "Drehung" erhalten – eine Eigenschaft, die als orbitaler Drehimpuls oder "OAM" bekannt ist. Ihre Arbeit zeigte, dass die OAM von Laserlicht dopplerverschoben ist, wenn es auf eine rotierende reflektierende Oberfläche trifft, und Informationen über die Rotationsgeschwindigkeit der Oberfläche trägt.

In ihrer neuen Forschung untersuchten sie, wie die OAM von Schallwellen durch die Rotation beeinflusst wird. Dazu ordneten sie 16 Lautsprecher in einem Kreis an, denen zwei Mikrofone gegenüberstanden, die auf einem rotierenden Ring montiert waren. Indem sie die Mikrofone sehr leicht versetzt voneinander anordneten, konnten sie die Größe und die Richtungs-OAM der akustischen Wellen der Lautsprecher als rotierende Ringspannweite messen.

Dr. Graham Gibson von der School of Physics and Astronomy der University of Glasgow, einer der Hauptautoren der Studie, fügte hinzu: "Wir fanden heraus, dass wir tatsächlich negative Rotations-Doppler-verschobene akustische Wellen erzeugen konnten, die das OAM der Welle umkehrten, was etwas ist, das bisher nicht demonstriert wurde – im Wesentlichen konnten wir die Verdrehung der akustischen Wellen umkehren.

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

Dr. Dave Phillips von der University of Exeter fügte hinzu: "Es ist eine sehr interessante Erkenntnis mit potenziellen Anwendungen in einer Reihe von wissenschaftlichen Disziplinen, einschließlich der Quantenfeldtheorie. Wir sind gespannt darauf, die Auswirkungen der Ergebnisse in Zukunft weiter zu untersuchen."

Die Arbeit des Teams mit dem Titel "Reversal of Orbital Angular Momentum arising from an Extreme Doppler Shift" wurde in den 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.