救急車が通り過ぎると、突然サイレンの音が小さくなります。名前は知らなくても、ドップラー効果はよく知られています。現在、科学者たちは、音または光が回転する物体から散乱する現象の別のバージョンを発見しました。この発見により、天文学者は遠方の惑星の自転を測定したり、風力タービンの性能を改善したりすることができるようになる可能性があります。
ドップラー効果の仕組みは次のとおりです。ノイズの多い物体が近づいてくると、その音波が集まり、より高い周波数またはピッチが生成されます。逆に、物体が遠ざかるとすぐに音波が伸び、ピッチが下がります。オブジェクトが速いほど、ピッチの変化が大きくなります。
ドップラー効果は、音だけでなく光にも発生します。たとえば、天文学者は、恒星や銀河がどのくらいの速さで私たちから遠ざかっているかを、それらの光がスペクトルの低周波数の赤い部分に「引き伸ばされる」程度を測定することで定期的に判断しています。このような赤方偏移は、1920 年代に、ほとんどの星や銀河が私たちから遠ざかっており、宇宙が膨張しているに違いないことを推測するために使用されたことで有名です.
光の赤方偏移と通過するサイレンのピッチ ドロップは、どちらも線形ドップラー効果の例です。しかし、ここ数十年で科学者たちは、回転している物体にもドップラー効果が存在することを発見しました。 1981 年、ニューヨーク大学工科大学の化学者ブルース ガレッツは、回転する物体が円偏光を放出すると、その光の周波数がシフトすることを示しました。その後、1997 年に、ワルシャワの理論物理学センターの物理学者 Iwo Bialynicki-Birula と、同じくワルシャワの物理学研究所の Zofia Bialynicka-Birula が、いわゆる軌道角度を利用して、回転ドップラー効果の変形を思いつきました。光の運動量 (OAM)。
光に OAM がある場合、その電場と磁場が回転し、光が空間を伝搬するときにコルクせん抜きのようなねじれを位相に与えます。 Iwo と Zofia Bialynicki-Birula は、光を発する回転物体がその光に OAM を吹き込むことを示しました。その結果、OAM を測定することで、誰かがオブジェクトの回転を推測できるようになります。 Science で今日オンラインで公開された論文で しかし、イギリスのグラスゴー大学の物理学者 Miles Padgett と Martin Lavery と、同じくグラスゴーにある Strathclyde 大学の同僚は、さらに一歩進んで、OAM で光が単純に散乱するだけでドップラー シフトすることを実証しました。回転オブジェクト。
研究者たちは、高速で回転するプラスチック製ローターにレーザーを照射することで発見を行いました。彼らは散乱光を検出器で収集し、それを正 (時計回りの回転) と負 (反時計回りの回転) の 2 つの信号にフィルター処理しました。ローターはライトの総 OAM を変更しませんでしたが、正の OAM の周波数を高くし、負の OAM の周波数を低くシフトしました。研究者はこの周波数分離を使用して、ローターの回転速度を決定しました。
ほとんどのオブジェクトは発光しません。彼らは、電球や太陽などの他の源から私たちの目に向けてそれを散乱させます.このため、Padgett は、散乱光のドップラー シフト (音波でも生成されるはず) が有用なアプリケーションになる可能性があることを示唆しています。たとえば、天文学者はそれを使用して、遠くの惑星の回転を決定できると彼は言います。地球に戻って、気流の回転を決定するためにレーザーを風力発電所に送ることができると彼は付け加えた。 「あなたが風車なら、風が吹く前に知りたいので、ブレードをつなぐことができます。」
ロサンゼルスにある南カリフォルニア大学のエンジニア、アラン・ウィルナーは、波に関する「基本的な」発見がまだ行われているという事実を称賛しています。特に、光の OAM 自体はわずか 20 年前に発見されました。 「[パジェット] は、この新たに理解された光の性質について、科学界全体にこの興奮を引き起こしました」と彼は言います。
