ปรากฏการณ์ไบรีฟรินเจนซ์ (birefringence) ของคลื่นสปิน (Spin wave) ในวัสดุแม่เหล็ก

สปิน (spin) คือสมบัติทางควอนตัมอย่างหนึ่งของอนุภาคมูลฐาน โดยที่อนุภาคประเภทเดียวกันจะมีเลขสปินเดียวกัน สปินยังเป็นปริมาณที่เกี่ยวข้องกับโมเมนตัมเชิงมุมของอนุภาคนั้นๆ และสปินยังทำให้เกิดสนามแม่เหล็กไดโพลคล้ายกับแท่งแม่เหล็กขนาดจิ๋วที่มีขั้วเหนือและขั้วใต้ (รูปที่ 1) ปรากฏการณ์นี้ให้สนามแม่เหล็กที่คล้ายกับการเคลื่อนที่แบบวงกลมของอนุภาคที่มีประจุ ต่างกันเพียงแค่ว่าสนามแม่เหล็กจากสปินไม่ได้เกิดจากการโคจรหรือการหมุนเป็นวงกลม แต่เกิดมาจากสมบัติของสปินด้วยตัวมันเอง หากสปินของอนุภาคภายในวัสดุเรียงตัวไปในทิศทางเดียวกัน เกิดเป็นสนามแม่เหล็กลัพธ์แบบเดียวกับแท่งแม่เหล็กในชีวิตประจำวันเช่นที่เจอในเข็มทิศ

รูปที่ 1 สปินทำให้อนุภาคประจุมีสนามแม่เหล็กไดโพล คล้ายแท่งแม่เหล็กขนาดจิ๋วที่มีขั้วเหนือ (N) และใต้ (S) โดยจะใช้ลูกศรแทนไดโพลแม่เหล็กที่ชี้จากเหนือไปใต้

เมื่ออนุภาคตัวใดตัวหนึ่งในผลึกโดนรบกวน จะทำให้ทิศของสนามแม่เหล็กเปลี่ยนไปและทำให้เกิดแรงกับอนุภาครอบข้างที่มีสปิน ทำให้อนุภาครอบข้างเกิดสั่นออกจากจุดสมดุล นั่นคือทิศของไดโพลแม่เหล็กจะเปลี่ยนไป การรบกวนนี้จะส่งผลต่อสปินกับอนุภาคตัวถัดๆ ไป เกิดการสั่นและการเปลี่ยนทิศของไดโพลแม่เหล็กคล้ายกับคลื่นที่แผ่ออกไป เรียกว่า คลื่นสปิน (spin wave)

การสั่นที่มีการรบกวนสนามของแรงสามารถอธิบายด้วยกลศาสตร์ควอนตัมได้อีกมุมมองหนึ่งว่า เป็นการกระตุ้นให้เกิดก้อนพลังงานหรืออนุภาค เช่น เราอธิบายคลื่นแสงที่ตามมองเห็น (ซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบหนึ่ง) ว่าประกอบด้วยก้อนพลังงานที่เรียกว่าอนุภาคโฟตอน (photon) ในทำนองเดียวกันสำหรับคลื่นสปิน เราอธิบายได้อีกแบบว่าเป็นการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่เรียกว่าแมกนอน (magnon)

เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ในตัวกลาง จะมีโอกาสเกิดปรากฏการณ์ไบรีฟรินเจนซ์เชิงวงกลม (circular birefringence) เช่นในกรณีที่คลื่นแสงเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางบางชนิดที่มีอัตราเร็วเฟสของแต่ละโพลาไรเซชันไม่เท่ากัน นั่นคือแสงที่มีโพลาเซชันเชิงวงกลมแบบทวนเข็มนาฬิกาเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วที่ต่างจากแสงที่มีโพลาไรเซชันแบบตามเข็มนาฬิกา ทำให้โพลาเซชันรวมของแสงเกิดการหมุนในขณะที่แสงเคลื่อนที่ไปในตัวกลางนั้น ถ้าปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นภายใต้สนามแม่เหล็ก จะถูกเรียกว่าปรากฏการณ์ฟาราเดย์ (Faraday effect) ดังรูปที่ 2 โดยแกนโพราไรเซชันของแสงจะหมุนขณะที่แสงเคลื่อนที่ไปในตัวกลางตามค่าความเข้มของสนามแม่เหล็ก ปรากฏการณ์นี้ได้ถูกนำไปใช้ประโยชน์ในหลายด้าน เช่น optical isolator หรือ magneto-optical recording ซึ่งใช้ผลจากปรากฏการณ์เคอร์ (Kerr effect) ที่คล้ายกับปรากฏการณ์ฟาราเดย์แต่เกิดกับแสงสะท้อน

รูปที่ 2 แผนภาพแสดงการเกิดปรากฏการณ์ฟาราเดย์ของแสง ซึ่งไมเคิล ฟาราเดย์ ได้บันทึกการค้นพบไว้ตั้งแต่เมื่อปี พ.ศ. 2388 (ที่มา : https://nationalmaglab.org/education/magnet-academy/history-of-electricity-magnetism/pioneers/michael-faraday และ http://www.mn.uio.no/fysikk/english/research/groups/amks/superconductivity/mo/)

Satoru Hayami และคณะได้ทำนายเชิงทฤษฎีไว้เมื่อปี พ.ศ. 2559 ว่าวัสดุในกลุ่มแอนติเฟร์โรแมกเนตที่ไม่มีสมมาตรการผกผัน (noncentrosymmetric antiferromagnet) นั้น คลื่นสปินมีพลังงานต่ำที่สุด ณ ตำแหน่งที่ต่างจากตำแหน่งที่สปินเรียงตัวเป็นระเบียบ ทำให้อัตราเร็วเฟสของแต่ละโพลาไรเซชันไม่เท่ากัน (โดยไม่จำเป็นต้องมีสนามแม่เหล็กจากภายนอก) คลื่นสปินแบบนี้เกิดจากอนุภาค nonreciprocal magnons ที่สามารถทำให้เกิดปรากฏการณ์ที่คล้ายกับปรากฏการณ์ฟาราเดย์ (Faraday Effect)

รูปที่ 3 คลื่นสปินที่มุมของโพราไรเซชันเปลี่ยนตามตำแหน่ง ซึ่งคล้ายกับปรากฏการณ์ไบรีฟรินเจนซ์ที่เกิดในคลื่นแสง (ภาพจาก https://www.tohoku.ac.jp/en/press/magnon_circular_birefringence.html)

เมื่อไม่นานมานี้ ทีมนักวิจัยจากประเทศไทยได้ทำงานวิจัยชิ้นนี้ร่วมกับนักวิจัยจากสหรัฐอเมริกา และญี่ปุ่น โดยทำการศึกษาวิจัยโดยทำการวัดการกระเจิงของนิวตรอนในสารประกอบ α-Cu₂V₂O₇ แสดงให้เห็นว่าคลื่นสปินที่มีโพลาเซชันแบบตามเข็มนาฬิกาและแบบทวนเข็มนาฬิกานั้นต่างกันเป็นครั้งแรกของโลก (รูปที่ 4) งานวิจัยนี้จะนำไปสู่การพัฒนาอุปกรณ์เชิงอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้คลื่นสปินที่เรียกว่า magnonics ตัวอย่างเช่น ทรานซิสเตอร์คลื่นสปินที่ควบคุมโดยสนามไฟฟ้า (spin wave field effect-transistor)

รูปที่ 4 ผลการวัดการกระเจิงของนิวตรอนที่แสดงคลื่นสปินที่มีโพราเซชันแบบทวนเข็มนาฬิกาและตามเข็มนาฬิกา ซึ่งแยกออกจากกัน (ภาพจาก เอกสารอ้างอิง [1])

งานวิจัยนี้ถือเป็นครั้งแรกที่ nonreciprocal magnons ถูกค้นพบในระบบจริงจากการทดลองในวัสดุแม่เหล็ก
Attaining PMP certification can be an essential step towards furthering your project management career, but many aspirants to the PMP exam face concerns regarding its cost. Costs vary based on factors like membership eligibility, exam preparation costs and retake fees - yet investing in earning it will pay dividends later on! Understanding all these expenses helps budget for and plan the exam journey successfully.
click here to know more about PMP dumps 2023
Earning your PMP certification is a key element to building a rewarding project management career, yet many individuals may hesitate due to its cost. Exam expenses typically include membership fees, exam fees and study materials (which will depend on where and how often you take exams), with total costs depending on location and personal choices. Although expenses associated with taking the exam can be significant, getting certified often opens doors for increased career opportunities and higher salaries in your profession; so consider it as an investment into future success!
know more about PMP dumps 2023 here  

• [1] G. Gitgeatpong, Y. Zhao, P. Piyawongwatthana, Y. Qiu, L. W. Harriger, N. P. Butch, T. J. Sato, and K. Matan, Phy. Rev. Lett.119,047201 (2017)
• [2] S. Hayami, H. Kusunose, and Y. Motome, J. Phys. Soc. Jpn. 85, 053705 (2016).
• [3] R. Cheng, M. W. Daniels, J.-G. Zhu, and D. Xiao, Sci. Rep. 6, 24223 (2016).
• [4] Spin Wave. สืบค้นาจาก https://en.wikipedia.org/wiki/Spin_wave. 13 กรกฎาคม 2560

เรียบเรียงโดย บรรณาธิการวิชาการ.คอม