Un experimento prueba una antigua teoría de la amplificación de ondas

Físicos de la Universidad de Southampton han probado y demostrado por primera vez una teoría de hace 50 años utilizando ondas electromagnéticas.

Han demostrado que la energía de las ondas se puede aumentar haciendo rebotar "ondas retorcidas" (aquellas con momento angular) en un objeto que gira de una manera específica.

Esto se conoce como el "efecto Zel'dovich", llamado así por el físico soviético Yakov Zel'dovich, quien desarrolló una teoría basada en esta idea en la década de 1970. Hasta ahora, se creía que era inobservable con campos electromagnéticos.

"El efecto Zel'dovich funciona según el principio de que las ondas con momento angular, que normalmente serían absorbidas por un objeto, en realidad son amplificadas por ese objeto, si gira a una velocidad angular lo suficientemente rápida. En este caso, el objeto es un cilindro de aluminio y debe girar más rápido que la frecuencia de la radiación entrante", explica en un comunicado la investigadora de la Universidad de Southampton, la doctora Marion Cromb.

"Hace unos años, mis colegas y yo pusimos a prueba esta teoría con éxito en ondas sonoras, pero hasta este último experimento no se había podido demostrar con ondas electromagnéticas. Utilizando un equipo relativamente sencillo (un circuito resonante que interactúa con un cilindro metálico giratorio) y creando las condiciones específicas necesarias, ahora hemos podido hacerlo".

Los hallazgos de los científicos se han publicado en la revista Nature Communications.

El efecto Zel'dovich es difícil de observar, pero está relacionado con un fenómeno bien conocido llamado efecto Doppler, que todos experimentamos a nuestro alrededor todos los días.

Imagine que está parado en una carretera con mucho tráfico y un coche de policía se dirige hacia usted a toda velocidad con la sirena encendida. Desde su perspectiva, a medida que se acerca, la sirena suena más aguda que cuando ha pasado.

Esto se debe a que las ondas sonoras que van delante del coche que se dirige hacia usted están comprimidas a una frecuencia alta, por lo que tienen un tono más alto. Detrás del coche, a medida que se aleja, están más dispersas a una frecuencia más baja, lo que da como resultado un tono más bajo. Este es el efecto Doppler.

Esto también se puede aplicar a las ondas de luz. De hecho, los astrónomos lo utilizan para saber si un cuerpo planetario se está acercando o alejando de la Tierra, según la frecuencia de las ondas de luz vistas desde su punto de observación.

Un cambio de frecuencia "Doppler rotacional" similar ocurre para las ondas torcidas y la rotación relativa.

En el efecto Zel'dovich, el cilindro de metal necesita girar lo suficientemente rápido como para que desde su perspectiva "vea" un cambio de frecuencia angular de "onda torcida", tanto que en realidad pase a una frecuencia negativa. Esto cambia la forma en que la onda interactúa con el cilindro. Normalmente, el metal absorbería la onda, pero cuando la frecuencia de la onda "se vuelve negativa", la onda de hecho se amplifica, reflejándose en el cilindro con más energía que cuando se aproximaba.

"La condición para la amplificación es desde la perspectiva rotatoria del objeto", explica Marion Cromb. "Los campos electromagnéticos que lo golpean se han desplazado rotacionalmente por efecto Doppler, tanto (o tan bajo) que han pasado de cero a una frecuencia angular 'negativa'. La frecuencia negativa significa entonces absorción negativa, y esto significa amplificación".

Los científicos dicen que probar el efecto Zel'dovich en diferentes sistemas físicos, tanto acústicos como ahora circuitos electromagnéticos, sugiere que es bastante fundamental en la naturaleza. Las pruebas electromagnéticas también allanan el camino para observar el efecto a nivel cuántico, donde las ondas podrían generarse por el cilindro que amplifica el vacío cuántico.

Los investigadores también afirman que sus hallazgos pueden ser útiles para los ingenieros eléctricos a la hora de explorar mejoras en los generadores de inducción, como los que se utilizan en las turbinas eólicas.