Vending af orbital vinkelmoment som følge af et ekstremt Doppler -skift

Forskere har for første gang demonstreret, hvordan 'snoede' lydbølger fra en roterende kilde kan producere negative frekvenser - svarende til at vende tiden tilbage.

Et team af internationale forskere, herunder fysikere fra University of Exeter, har bygget et system, der er i stand til at vende vinkelmomentet i en lydbølge ved at observere det fra en roterende ramme.

Studiet, som også inkluderer forskere fra universiteterne i Glasgow og Illinois Wesleyan i USA, er udgivet i tidsskrift Procedurer fra National Academy of Science .

Doppler -effekten er et velkendt fænomen for alle, der har observeret en ambulance, der passerer, mens de lader sirenen.

Da ambulancen nærmer sig observatøren, lydbølgerne 'hober sig op', hæve bølgernes frekvens og dermed få sirenen til at stige i tonehøjde, en proces kendt af forskere som et 'blueshift'. Når ambulancen passerer lydbølgerne 'strækker sig ud', sænke deres frekvens og droppe banen - kendt som 'rødforskydning'.

Professor Miles Padgett, University of Glasgow's Kelvin Chair of Natural Philosophy, sagde:"Vi har i et stykke tid nu vidst, at der sker mærkelige ting, når den hypotetiske observatør jagter lyden fra en ambulancesirene med supersonisk hastighed og skaber det, vi kan kaldes en 'negativ' frekvens.

"Ved disse hastigheder, observatøren ville høre lyden af ​​sirenen baglæns, fordi observatøren nu bevæger sig hurtigere end den lyd, de hører - den seneste lyd, den laver, vil nå observatøren foran dem, den lavede tidligere, det modsatte af, hvordan lyd bevæger sig med subsoniske hastigheder. "

Uanset om det er supersonisk eller subsonisk, hvad den hypotetiske ambulance-observatør observerer er mere korrekt kendt som den lineære Doppler-effekt, hvor lydbølgerne bevæger sig i en lige linje, mens der sker bevægelse mellem objekt og observatør.

I 1981, en kemiker ved navn Bruce Garetz demonstrerede først den roterende Doppler -effekt, hvor frekvensforskydninger opstår, når elektromagnetiske bølger (i dette tilfælde lysbølger) bevæger sig i en cirkel omkring et enkelt fast punkt. I modsætning til lineære Doppler -skift, rotationsdopplerforskydninger har ikke vist sig at generere negative frekvenser, da der ikke er nogen bevægelse mellem objektet og observatøren.

I tidligere undersøgelser, Forskere i Glasgow har undersøgt, hvordan det roterende Doppler-skift påvirkes, når lysets elektriske og magnetiske felter får et "twist" i proptrækker-en egenskab kendt som orbital vinkelmoment, eller 'OAM'. Deres arbejde viste, at laserlysets OAM er Doppler-forskudt, når det rammer en roterende reflekterende overflade, og bærer information om overfladens rotationshastighed.

I deres nye forskning, de valgte at undersøge, hvordan lydbølgernes OAM påvirkes af rotation. For at gøre det, de arrangerede 16 højttalere i en cirkel, mod to mikrofoner monteret på en roterende ring. Ved at arrangere mikrofonerne meget lidt forskudt fra hinanden, de kunne måle størrelsen og retningsbestemt OAM af akustiske bølger fra højttalerne som det roterende ringspænd.

Dr. Dave Phillips, fra University of Exeter, tilføjede:"Det er et meget interessant fund, med potentielle anvendelser inden for en række videnskabelige discipliner, herunder generel relativitet. Vi er ivrige efter at fortsætte med at undersøge konsekvenserne af resultaterne i fremtiden. "

Dr. Graham Gibson fra University of Glasgows School of Physics and Astronomy, en hovedforfatter af papiret, tilføjede:"Vi fandt ud af, at vi faktisk kunne generere negative roterende Doppler-skiftede akustiske bølger, som vendte bølgens OAM, hvilket er noget, der ikke er blevet demonstreret før - i det væsentlige, vi kunne vende vridningen af ​​de akustiske bølger.

"I øvrigt, vi kunne generere de negative frekvenser, mens vores mikrofonring er meget lav, sub-soniske hastigheder, med en rotationshastighed på omkring 25Hz, noget, der er umuligt i lineære Doppler -skift. "

Holdets papir, med titlen 'Reversal of Orbital Angular Momentum som følge af et ekstremt dopplerskifte', er udgivet i Procedurer fra National Academy of Science .