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 en rotation peuvent produire des fréquences négatives, analogues au retour dans le temps.

Une équipe de chercheurs des universités de Glasgow, Exeter et 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 quiconque a vu passer une ambulance en faisant sonner sa sirène. À mesure que l’ambulance s’approche de l’observateur, les ondes sonores « s’accumulent », augmentant la fréquence des ondes et faisant ainsi monter le son de la sirène en hauteur, un processus connu des scientifiques sous le nom de « décalage vers le bleu ». Une fois l’ambulance passée, les ondes sonores « s’étirent », abaissant leur fréquence et diminuant la hauteur – un « décalage vers le rouge ».

Le professeur Miles Padgett, titulaire de la chaire Kelvin de philosophie naturelle à l’Université de Glasgow, a déclaré : « Nous savons depuis un certain temps 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 en arrière au lieu de la montée et descente répétitives habituelle, car l’observateur se déplace désormais plus vite que le son qu’il entend – le son le plus récent qu’il produit atteindra l’observateur avant ceux qu’il a produits dans le passé, à l’opposé de la façon dont le son se propage à des vitesses subsoniques. »

Qu’il s’agisse de supersoniques ou subsoniques, ce que l’observateur hypothétique de l’ambulance observe est plus précisément connu sous le nom d’effet Doppler linéaire, où les ondes sonores voyagent 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 rotationnel, où des décalages de fréquence se produisent lorsque des ondes électromagnétiques (dans ce cas, des ondes lumineuses) se déplacent en cercle autour d’un point fixe unique. Contrairement aux décalages Doppler linéaires, il n’a pas été démontré que les décalages Doppler rotationnels génèrent des fréquences négatives, puisqu’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 rotationnel 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 Doppler lorsqu’elle frappe une surface réfléchissante en rotation, et transporte des informations sur la vitesse de rotation de la surface.

Dans leurs nouvelles recherches, ils ont choisi d’explorer comment l’OAM des ondes sonores est affectée par la rotation. Pour ce faire, ils ont disposé 16 haut-parleurs en cercle, faisant face à deux microphones montés sur un anneau rotatif. En disposant les microphones légèrement décalés les uns des autres, ils pouvaient mesurer la magnitude et la direction de l’OAM des ondes acoustiques provenant des haut-parleurs sous forme d’écartement 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 découvert que nous pouvions effectivement générer des ondes acoustiques rotationnelles décalées par Doppler négatives qui inversaient l’OAM de l’onde, ce qui n’avait jamais été démontré auparavant – essentiellement, nous pouvions inverser la torsion des ondes acoustiques.

« De plus, nous pourrions générer ces fréquences négatives pendant que notre anneau micro s’étend à des vitesses très faibles, subsoniques, avec une rotation d’environ 25 Hz, ce qui est impossible en décalage Doppler linéaire. »

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

L’article de l’équipe, intitulé « Reversal of Orbital Angular Momentum arising an Extreme Doppler Shift », est publié dans les Proceedings of the National Academy of Science.

La recherche a été financée par le Conseil européen de la recherche, l’Académie royale d’ingénierie et le Centre de formation doctorale de l’EPSRC en détection et mesure intelligentes.