Cientistas comprovam teoria de longa data sobre amplificação de ondas

Físicos da Universidade de Southampton testaram e provaram uma teoria de 50 anos pela primeira vez usando ondas eletromagnéticas. Eles mostraram que a energia das ondas pode ser aumentada ao ricochetear “ondas torcidas” — aquelas com momento angular — em um objeto que está girando de uma maneira específica.

Isso é conhecido como “efeito Zel’dovich”, nomeado em homenagem ao físico soviético Yakov Zel’dovich, que desenvolveu uma teoria baseada nessa ideia na década de 1970. Até agora, acreditava-se que não era observável com campos eletromagnéticos.

“O efeito Zel’dovich funciona com base no princípio de que ondas com momento angular, que normalmente seriam absorvidas por um objeto, na verdade se tornam amplificadas por esse objeto, se ele estiver girando a uma velocidade angular rápida o suficiente. Nesse caso, o objeto é um cilindro de alumínio e deve girar mais rápido do que a frequência da radiação incidente”, explica o pesquisador da Universidade de Southampton, Dr. Marion Cromb.

“Colegas e eu testamos com sucesso essa teoria em ondas sonoras alguns anos atrás, mas até esse experimento mais recente ela não tinha sido provada com ondas eletromagnéticas. Usando equipamento relativamente simples — um circuito ressonante interagindo com um cilindro de metal giratório — e criando as condições específicas necessárias, agora conseguimos fazer isso.”

As descobertas dos cientistas foram publicadas na revista Comunicações da Natureza .

O efeito Zel’dovich é difícil de observar, mas tem ligações com um fenômeno bem conhecido chamado efeito Doppler, que todos nós vivenciamos ao nosso redor todos os dias.

Imagine que você está parado em uma estrada movimentada e um carro de polícia corre em sua direção com a sirene ligada. Da sua perspectiva, conforme ele se aproxima, a sirene soa mais alta do que quando passou.

Isso ocorre porque as ondas sonoras na frente do carro que vem em sua direção são comprimidas em uma frequência alta — portanto, um tom mais alto. Atrás do carro, conforme ele se afasta, elas são mais espalhadas em uma frequência mais baixa — resultando em um tom mais baixo. Esse é o efeito Doppler.

Isso também pode ser aplicado a ondas de luz. Na verdade, astrônomos usam isso para entender se um corpo planetário está se movendo em direção à Terra ou para longe dela, de acordo com a frequência das ondas de luz vistas do seu ponto de observação.

Uma mudança de frequência “Doppler rotacional” semelhante ocorre para ondas torcidas e rotação relativa.

No efeito Zel’dovich, o cilindro de metal precisa girar rápido o suficiente para que, de sua perspectiva, ele “veja” uma “onda torcida” mudar na frequência angular, tanto que ela realmente vai para uma frequência negativa. Isso muda a maneira como a onda interage com o cilindro. Normalmente, o metal absorveria a onda, mas quando a frequência da onda “fica negativa”, a onda é de fato amplificada — refletindo no cilindro com mais energia do que quando se aproximou.

“A condição para amplificação é da perspectiva rotativa do objeto”, explica Marion Cromb. “Campos eletromagnéticos torcidos que o atingem se tornaram rotacionalmente deslocados por Doppler, tanto (ou tão baixo) que passaram de zero para uma frequência angular ‘negativa’. Frequência negativa então significa absorção negativa, e isso significa amplificação.”

Os cientistas dizem que provar o efeito Zel’dovich em diferentes sistemas físicos, tanto acústicos quanto agora circuitos eletromagnéticos, sugere que ele é bastante fundamental na natureza. Testes eletromagnéticos também pavimentam o caminho para observar o efeito em um nível quântico, onde as ondas podem ser geradas pelo cilindro amplificando o vácuo quântico.

O professor Hendrik Ulbricht da Universidade de Southampton, supervisor do projeto, disse: “Estou muito satisfeito que agora temos prova experimental do efeito eletromagnético de Zel’dovich. Em cenários eletromagnéticos, será mais direto partir para o próximo grande desafio, que é a versão quântica do efeito.”

“Nossa configuração é comparativamente simples e foi uma alegria para mim no trabalho durante a COVID montar esse experimento e coletar os primeiros dados. Ver os resultados agora é muito gratificante e sou grato à fantástica equipe envolvida.”

Os pesquisadores também dizem que suas descobertas podem ser úteis para engenheiros elétricos na exploração de melhorias em geradores de indução, como aqueles usados ​​em turbinas eólicas.