Forskare baserade i Storbritannien och USA har för första gången visat hur 'vridna' ljudvågor från en roterande källa kan producera negativa frekvenser, analogt med att vrida tillbaka tiden.

Ett forskarteam från universiteten i Glasgow, Exeter och Illinois Wesleyan rapporterar i tidskriften Proceedings of the National Academy of Science hur de har byggt ett system som kan vända rörelsemängdsmomentet hos en ljudvåg utan behov av supersoniska hastigheter.

Dopplereffekten är ett välbekant fenomen för alla som har sett en ambulans köra förbi medan den ljudde med sirenen. När ambulansen närmar sig observatören 'hopar sig ljudvågorna', vilket höjer vågornas frekvens och därmed får sirenens ljud att öka i tonhöjd, en process som forskare känner som en 'blueshift'. När ambulansen passerat 'sträcker sig ljudvågorna', sänker sin frekvens och sänker tonhöjden – en 'rödförskjutning'.

Professor Miles Padgett, Kelvin-professuren i naturfilosofi vid University of Glasgow, sade: "Vi har vetat ett tag nu att märkliga saker händer när den hypotetiska observatören jagar ljudet från en ambulanssiren i överljudshastighet och skapar vad vi kan kalla en 'negativ' frekvens.

"Vid dessa hastigheter skulle observatören höra ljudet av sirenen baklänges istället för den välbekanta, upprepade upp- och nedgången, eftersom observatören nu rör sig snabbare än ljudet de hör – det senaste ljudet den ger ifrån sig når observatören före de som gjorts tidigare, motsatsen till hur ljud färdas i subsoniska hastigheter."

Oavsett om det är överljud eller subsoniskt, är det den hypotetiska ambulansvaktaren observerar mer korrekt känt som den linjära Dopplereffekten, där ljudvågorna färdas i en rak linje medan rörelse sker mellan objekt och observatör.

År 1981 demonstrerade en kemist vid namn Bruce Garetz för första gången den roterande Dopplereffekten, där frekvensförskjutningar sker när elektromagnetiska vågor (i detta fall ljusvågor) rör sig i en cirkel runt en enda fast punkt. Till skillnad från linjära Dopplerförskjutningar har rotations-Dopplerförskjutningar inte visats generera negativa frekvenser, eftersom det inte finns någon rörelse mellan objektet och observatören.

I tidigare forskning har forskare i Glasgow undersökt hur rotations-Dopplerförskjutningen påverkas när ljusets elektriska och magnetiska fält får en korkskruvsliknande 'twist' – en egenskap som kallas orbitalvinkelmoment, eller 'OAM'. Deras arbete visade att OAM för laserljus är Doppler-förskjutet när det träffar en roterande reflekterande yta och bär information om ytans rotationshastighet.

I sin nya forskning valde de att undersöka hur OAM för ljudvågor påverkas av rotation. För att göra detta placerade de 16 högtalare i en cirkel, vända mot två mikrofoner monterade på en roterande ring. Genom att placera mikrofonerna mycket lätt förskjutna från varandra kunde de mäta magnituden och riktningen OAM för akustiska vågor från högtalarna som den roterande ringspännvidden.

Dr Graham Gibson vid University of Glasgows School of Physics and Astronomy, huvudförfattare till artikeln, tillade: "Vi fann att vi faktiskt kunde generera negativa rotationella Doppler-förskjutna akustiska vågor som vände vågens OAM, vilket inte tidigare har visats – i princip kunde vi vända twisten på de akustiska vågorna.

"Dessutom skulle vi kunna generera dessa negativa frekvenser medan vår mikrofonring spänner vid mycket låga, subsoniska hastigheter, med en rotationshastighet på runt 25Hz, något som är omöjligt vid linjära Dopplerskiften."

Dr Dave Phillips från University of Exeter tillade: "Det är en mycket intressant upptäckt, med potentiella tillämpningar inom en rad vetenskapliga discipliner, inklusive kvantfältteori. Vi är angelägna om att fortsätta utforska konsekvenserna av resultaten i framtiden."

Teamets artikel, med titeln 'Reversal of Orbital Angular Momentum arising from an Extreme Doppler Shift', publiceras i Proceedings of the National Academy of Science.

Forskningen stöddes av finansiering från European Research Council, Royal Academy of Engineering och EPSRC Centre for Doctoral Training in Intelligent Sensing and Measurement.