Forskare har för första gången visat hur "vridna" ljudvågor från en roterande källa kan producera negativa frekvenser - liknande att vrida tillbaka tiden.

Ett team av internationella forskare, inklusive fysiker från University of Exeter, har byggt ett system som kan vända vinkelmomentet för en ljudvåg genom att observera den från en roterande ram.

Studien, som också inkluderar forskare från universiteten i Glasgow och Illinois Wesleyan i USA, publiceras i tidskriften Proceedings of the National Academy of Science .

Dopplereffekten är ett välbekant fenomen för alla som har sett en ambulans passera medan den låter sirenen.

När ambulansen närmar sig observatören, ljudvågorna "hopar sig", höjer frekvensen på vågorna och får sålunda sirenens ljud att stiga i tonhöjd, en process som forskarna känner till som ett "blåskifte". När ambulansen passerar "sträcker sig ljudvågorna ut" sänka deras frekvens och sänka tonhöjden – känd som "rödförskjutning".

Professor Miles Padgett, University of Glasgows Kelvin Chair of Natural Philosophy, sa:"Vi har vetat ett tag nu att konstiga saker inträffar när den hypotetiska observatören jagar efter ljudet som sänds ut från en ambulanssiren i överljudshastigheter och skapar vad vi kan kalla en "negativ" frekvens.

"Vid dessa hastigheter, betraktaren skulle höra ljudet av sirenen baklänges, eftersom observatören nu rör sig snabbare än ljudet de hör – det senaste ljudet det gör kommer att nå observatören före de som det gjorde tidigare, motsatsen till hur ljud färdas med subsoniska hastigheter."

Oavsett om det är överljud eller underljud, vad den hypotetiska ambulansövervakaren observerar är mer korrekt känt som den linjära dopplereffekten, där ljudvågorna rör sig i en rät linje när rörelse sker mellan objekt och observatör.

1981, en kemist vid namn Bruce Garetz visade först den roterande Dopplereffekten, där frekvensförskjutningar uppstår när elektromagnetiska vågor (i detta fall ljusvågor) rör sig i en cirkel runt en enda fast punkt. Till skillnad från linjära dopplerskift, rotationsdopplerskift har inte visat sig generera negativa frekvenser, eftersom det inte finns någon rörelse mellan objektet och betraktaren.

I tidigare forskning, Forskare i Glasgow har undersökt hur den roterande Doppler-förskjutningen påverkas när ljusets elektriska och magnetiska fält ges en "twist" i korkskruvsstil - en egenskap som kallas det orbitala vinkelmomentet, eller 'OAM'. Deras arbete visade att OAM för laserljus är Doppler-förskjutet när det träffar en roterande reflekterande yta, och bär information om ytans rotationshastighet.

I sin nya forskning, de valde att utforska hur ljudvågornas OAM påverkas av rotation. Att göra så, de arrangerade 16 högtalare i en cirkel, mot två mikrofoner monterade på en roterande ring. Genom att placera mikrofonerna väldigt lite förskjutna från varandra, de kunde mäta storleken och riktnings-OAM för akustiska vågor från högtalarna som den roterande ringen.

Dr Dave Phillips, vid University of Exeter, tillade:"Det är ett mycket intressant fynd, med potentiella tillämpningar inom en rad vetenskapliga discipliner inklusive allmän relativitetsteori. Vi är angelägna om att fortsätta utforska konsekvenserna av resultaten i framtiden."

Dr. Graham Gibson från University of Glasgows School of Physics and Astronomy, en huvudförfattare av tidningen, tillade:"Vi fann att vi verkligen kunde generera negativa roterande Doppler-skiftade akustiska vågor som vände om vågens OAM, vilket är något som inte har visats tidigare – i huvudsak, vi kunde vända vridningen av de akustiska vågorna.

"Dessutom, vi skulle kunna generera de negativa frekvenserna medan vår mikrofonring spänner mycket låg, subsoniska hastigheter, med en rotationshastighet på cirka 25Hz, något som är omöjligt i linjära dopplerskift."

Lagets tidning, med titeln "Reversering av orbital vinkelmomentum som uppstår från ett extremt dopplerskifte", publiceras i Proceedings of the National Academy of Science .