Các nhà khoa học ở Anh và Mỹ lần đầu tiên đã chứng minh cách sóng âm 'xoắn' từ nguồn quay có thể tạo ra tần số âm, tương tự như quay ngược thời gian.

Một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Glasgow, Exeter và Illinois Wesleyan báo cáo trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Science về cách họ đã xây dựng một hệ thống có khả năng đảo ngược động lượng góc của sóng âm mà không cần vận tốc siêu thanh.

Hiệu ứng Doppler là hiện tượng quen thuộc với bất kỳ ai từng quan sát một chiếc xe cứu thương đi ngang qua trong khi đang phát còi báo động. Khi xe cứu thương tiến lại gần người quan sát, các sóng âm sẽ 'chồng chất', làm tăng tần số của sóng và khiến âm thanh của còi báo động tăng cao độ, một quá trình được các nhà khoa học gọi là 'dịch chuyển xanh'. Khi xe cứu thương đi qua, sóng âm 'kéo dài', hạ tần số và hạ cao độ – gọi là 'dịch chuyển đỏ'.

Giáo sư Miles Padgett, Chủ tịch Triết học Tự nhiên Kelvin của Đại học Glasgow, nói: "Chúng ta đã biết từ lâu rằng những điều kỳ lạ xảy ra khi người quan sát giả định đuổi theo âm thanh phát ra từ còi xe cứu thương với tốc độ siêu thanh và tạo ra cái mà chúng ta có thể gọi là tần số 'âm'.

"Ở vận tốc đó, người quan sát sẽ nghe tiếng còi báo động ngược lại thay vì tiếng lên xuống lặp đi lặp lại quen thuộc, bởi vì người quan sát giờ di chuyển nhanh hơn âm thanh họ nghe được – âm thanh mới nhất nó phát ra sẽ đến tay người quan sát trước những âm thanh trước đây, ngược lại với cách âm thanh truyền ở tốc độ dưới âm."

Dù là siêu thanh hay dưới âm, những gì người quan sát xe cứu thương giả định quan sát được gọi chính xác hơn là hiệu ứng Doppler tuyến tính, trong đó sóng âm truyền theo một đường thẳng khi chuyển động giữa vật thể và người quan sát.

Năm 1981, một nhà hóa học tên Bruce Garetz lần đầu tiên chứng minh hiệu ứng Doppler quay, trong đó sự dịch chuyển tần số xảy ra khi sóng điện từ (trong trường hợp này là sóng ánh sáng) chuyển động theo vòng tròn quanh một điểm cố định duy nhất. Không giống như dịch chuyển Doppler tuyến tính, dịch chuyển Doppler quay chưa được chứng minh tạo ra tần số âm, vì không có chuyển động giữa vật thể và người quan sát.

Trong các nghiên cứu trước đây, các nhà nghiên cứu ở Glasgow đã khám phá cách dịch chuyển Doppler quay bị ảnh hưởng khi các trường điện và từ của ánh sáng được tạo ra một 'xoắn' kiểu xoắn ốc – một đặc tính được gọi là động lượng góc quỹ đạo, hay 'OAM'. Công trình của họ cho thấy OAM của ánh sáng laser bị dịch Doppler khi chạm vào bề mặt phản xạ quay, và mang thông tin về tốc độ quay của bề mặt.

Trong nghiên cứu mới, họ chọn khám phá cách OAM của sóng âm bị ảnh hưởng bởi sự quay. Để làm được điều đó, họ sắp xếp 16 loa thành một vòng tròn, đối diện với hai micro gắn trên một vòng xoay. Bằng cách bố trí các micro cách nhau rất nhẹ, chúng có thể đo được độ lớn và định hướng OAM của sóng âm từ loa dưới dạng vòng quay.

Tiến sĩ Graham Gibson thuộc Trường Vật lý và Thiên văn học Đại học Glasgow, tác giả chính của bài báo, bổ sung: "Chúng tôi nhận thấy thực sự có thể tạo ra sóng âm Doppler dịch chuyển âm quay, đảo ngược OAM của sóng, điều chưa từng được chứng minh trước đây – về cơ bản, chúng tôi có thể đảo ngược sự xoắn của sóng âm.

"Hơn nữa, chúng ta có thể tạo ra những tần số âm đó trong khi vòng micro của chúng ta chạy ở tốc độ rất thấp, dưới âm thanh, với tốc độ quay khoảng 25Hz, điều không thể xảy ra trong các dịch chuyển Doppler tuyến tính."

Tiến sĩ Dave Phillips, thuộc Đại học Exeter, bổ sung: "Đây là một phát hiện rất thú vị, với tiềm năng ứng dụng trong nhiều ngành khoa học bao gồm lý thuyết trường lượng tử. Chúng tôi mong muốn tiếp tục khám phá các tác động của những phát hiện này trong tương lai."

Bài báo của nhóm, có tựa đề 'Đảo ngược mô men động lượng quỹ đạo phát sinh từ dịch chuyển Doppler cực đoan', được xuất bản trong tạp chí Proceedings of the National Academy of Science.

Nghiên cứu được hỗ trợ bởi nguồn tài trợ từ Hội đồng Nghiên cứu Châu Âu, Viện Hàn lâm Kỹ thuật Hoàng gia và Trung tâm Đào tạo Tiến sĩ EPSRC về Cảm biến và Đo lường Thông minh.