Các nhà khoa học có trụ sở tại Anh và Mỹ đã lần đầu tiên chứng minh sóng âm 'xoắn' từ một 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 Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia 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 âm.

Hiệu ứng Doppler là một hiện tượng quen thuộc đối với bất kỳ ai đã quan sát thấy một chiếc xe cứu thương đi ngang qua trong khi phát ra tiếng còi báo động. Khi xe cứu thương tiếp cận người quan sát, sóng âm thanh 'chồng chất', làm tăng tần số của sóng và do đó làm cho 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 thanh 'kéo dài', giảm tần số của chúng và giảm cao độ - một 'dịch chuyển đỏ'.

Giáo sư Miles Padgett, Chủ tịch Triết học Tự nhiên Kelvin của Đại học Glasgow, cho biết: "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 ở tốc độ siêu âm và tạo ra thứ mà chúng ta có thể gọi là tần số 'âm'.

"Ở những vận tốc đó, người quan sát sẽ nghe thấy âm thanh của còi báo động ngược lại thay vì sự lên xuống lặp đi lặp lại quen thuộc, bởi vì người quan sát bây giờ đang di chuyển nhanh hơn âm thanh họ đang nghe - âm thanh gần đây nhất mà nó tạo ra sẽ đến được người quan sát trước những âm thanh mà nó tạo ra trong quá khứ, trái ngược với cách âm thanh truyền đi với tốc độ cận âm."

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

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

Trong nghiên cứu trước đây, các nhà nghiên cứu Glasgow đã khám phá sự dịch chuyển Doppler quay bị ảnh hưởng như thế nào khi điện trường và từ trường của ánh sáng được tạo ra một 'xoắn' kiểu vặn nút chai - một tính chất được gọi là động lượng góc quỹ đạo, hoặc 'OAM'. Nghiên cứu của họ cho thấy OAM của ánh sáng laser bị dịch chuyển Doppler khi nó chạm vào bề mặt phản xạ quay và mang thông tin về tốc độ quay của bề mặt.

Trong nghiên cứu mới của mình, họ đã chọn khám phá cách OAM của sóng âm thanh bị ảnh hưởng bởi vòng quay. Để làm như vậy, họ sắp xếp 16 loa thành một vòng tròn, đối diện với hai micrô gắn trên một vòng quay. Bằng cách sắp xếp các micrô chênh lệch rất nhỏ với nhau, chúng có thể đo độ lớn và OAM định hướng của sóng âm từ loa dưới dạng nhịp vòng quay.

Tiến sĩ Graham Gibson thuộc Trường Vật lý và Thiên văn học của Đại học Glasgow, tác giả chính của bài báo, nói thêm: "Chúng tôi nhận thấy rằng chúng tôi thực sự có thể tạo ra sóng âm Doppler chuyển đổi quay âm đảo ngược OAM của sóng, đây là 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 tôi có thể tạo ra những tần số âm đó trong khi vòng micrô của chúng tôi trải dài ở tốc độ rất thấp, dưới âm thanh, với tốc độ quay khoảng 25Hz, điều không thể xảy ra trong sự thay đổi Doppler tuyến tính."

Tiến sĩ Dave Phillips, thuộc Đại học Exeter, nói thêm: "Đó là một phát hiện rất thú vị, với các ứng dụng tiềm năng trong một loạt các ngành khoa học bao gồm lý thuyết trường lượng tử. Chúng tôi rất muốn tiếp tục khám phá ý nghĩa của những phát hiện trong tương lai."

Bài báo của nhóm nghiên cứu, có tiêu đề "Sự đảo ngược động lượng góc quỹ đạo phát sinh từ sự dịch chuyển Doppler cực đoan", được xuất bản trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia.

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