Des scientifiques basés au Royaume-Uni et aux États-Unis ont démontré pour la première fois comment des ondes sonores « tordues » provenant d’une source rotative peuvent produire des fréquences négatives, analogues au retour dans le temps.

Une équipe de chercheurs des universités de Glasgow, d’Exeter et de l’Illinois Wesleyan rapporte dans la revue Proceedings of the National Academy of Science comment ils ont construit un système capable d’inverser le moment angulaire d’une onde sonore sans avoir besoin de vitesses supersoniques.

L’effet Doppler est un phénomène familier à tous ceux qui ont observé une ambulance passer en faisant retentir sa sirène. Lorsque l’ambulance s’approche de l’observateur, les ondes sonores s’accumulent, augmentant la fréquence des ondes et provoquant ainsi une augmentation de la hauteur du son de la sirène, un processus connu des scientifiques sous le nom de « blueshift ». Une fois l’ambulance passée, les ondes sonores « s’étirent », abaissant leur fréquence et baissant la hauteur – un « décalage vers le rouge ».

Le professeur Miles Padgett, titulaire de la chaire Kelvin de philosophie naturelle de l’Université de Glasgow, a déclaré : « Nous savons depuis un certain temps maintenant que des choses étranges se produisent lorsque l’observateur hypothétique poursuit le son émis par une sirène d’ambulance à des vitesses supersoniques et crée ce que l’on pourrait appeler une fréquence « négative ».

« À ces vitesses, l’observateur entendrait le son de la sirène à l’envers au lieu de la montée et de la descente répétitives familières, car l’observateur se déplace maintenant plus vite que le son qu’il entend - le son le plus récent qu’il émet atteindra l’observateur avant ceux qu’il a émis dans le passé, à l’opposé de la façon dont le son se déplace à des vitesses subsoniques. »

Qu’il soit supersonique ou subsonique, ce que l’observateur d’ambulance hypothétique observe est plus précisément connu sous le nom d’effet Doppler linéaire, où les ondes sonores se déplacent en ligne droite lorsque le mouvement se produit entre l’objet et l’observateur.

En 1981, un chimiste nommé Bruce Garetz a démontré pour la première fois l’effet Doppler rotatif, où des changements de fréquence se produisent lorsque des ondes électromagnétiques (dans ce cas, des ondes lumineuses) se déplacent en cercle autour d’un seul point fixe. Contrairement aux décalages Doppler linéaires, il n’a pas été démontré que les décalages Doppler rotatifs génèrent des fréquences négatives, car il n’y a pas de mouvement entre l’objet et l’observateur.

Dans des recherches antérieures, des chercheurs de Glasgow ont exploré comment le décalage Doppler rotatif est affecté lorsque les champs électriques et magnétiques de la lumière reçoivent une « torsion » de type tire-bouchon – une propriété connue sous le nom de moment angulaire orbital, ou « OAM ». Leurs travaux ont montré que l’OAM de la lumière laser est décalée par Doppler lorsqu’elle frappe une surface réfléchissante en rotation et transporte des informations sur le taux de rotation de la surface.

Dans leurs nouvelles recherches, ils ont choisi d’explorer comment l’OAM des ondes sonores est affecté par la rotation. Pour ce faire, ils ont disposé 16 haut-parleurs en cercle, face à deux microphones montés sur un anneau rotatif. En disposant les microphones très légèrement décalés les uns par rapport aux autres, ils ont pu mesurer l’amplitude et l’OAM directionnel des ondes acoustiques des haut-parleurs en tant que portée de l’anneau rotatif.

Le Dr Graham Gibson de l’École de physique et d’astronomie de l’Université de Glasgow, auteur principal de l’article, a ajouté : « Nous avons constaté que nous pouvions en effet générer des ondes acoustiques de rotation négative décalées par Doppler qui inversaient l’OAM de l’onde, ce qui n’a pas été démontré auparavant – essentiellement, nous pouvions inverser la torsion des ondes acoustiques.

« De plus, nous pourrions générer ces fréquences négatives pendant que notre anneau de microphone s’étend à des vitesses subsoniques très faibles, avec un taux de rotation d’environ 25 Hz, ce qui est impossible dans les décalages Doppler linéaires. »

Le Dr Dave Phillips, de l’Université d’Exeter, a ajouté : « C’est une découverte très intéressante, avec des applications potentielles dans une série de disciplines scientifiques, y compris la théorie quantique des champs. Nous sommes impatients de continuer à explorer les implications des résultats à l’avenir."

L’article de l’équipe, intitulé « Inversion du moment angulaire orbital découlant d’un décalage Doppler extrême », est publié dans Proceedings of the National Academy of Science.

La recherche a été financée par le Conseil européen de la recherche, la Royal Academy of Engineering et le Centre de formation doctorale en détection et mesure intelligentes de l’EPSRC.