ก้าวครั้งสำคัญในการคำนวณโมเลกุลเพื่อศึกษาการสปินโทรนิคของสสาร

          ในโมเลกุลสสารในชีวิตประจำวันของมนุษย์เรานั้น ดั่งเช่นน้ำที่เราใช้กันอยู่ในชีวิตประจำวันไม่ว่าจะเป็นการใช้เพื่ออุปโภค หรือ บริโภค น้ำมีสูตรโครงสร้างทางเคมีสามารถเขียนได้ว่าH2O ในอะตอมโครงสร้างของน้ำนั้นจะมีโมเลกุลของ2โมเลกุลของไฮโดรเจนนั้นจะสปินขึ้นหรือลง ซึ่งลักษณะสปินนี้ ถ้าโมเลกุลของน้ำสปินขึ้นด้วย และ สปินลงด้วย เราจะเรียกคุณสมบัติทางแม่เหล็กนี้ได้ว่า diamagnetic หรือในอีกลักษณะนึง ถ้าโมเลกุลของน้ำสปินขึ้นทั้งหมด หรือ สปินลงทั้งหมด ก็จะเรียกคุณสมบัติทางแม่เหล็กนี้ได้ว่า Paramagnetic ซึ่งมีหนึ่งในงานวิจัยที่ศึกษาและค้นพบการเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญในการศึกษา การสปินในโครงสร้างโมเลกุลในสสาร ซึ่งมีชื่อเรียกว่า การสปินแบบ สปินโทรนิค(Spintronics) ซึ่งจะกล่าวในลำดับต่อไปว่า อะไรคือ สปินโทรนิค


          สปินโทรนิค หรือ เรียกอีกชื่อหนึ่งว่า การสปินอิเล็กโทรนิค เป็นการศึกษาที่เกี่ยวข้องกับการสปินของอิเล็กตรอนอย่างแท้จริง และ เกี่ยวข้องกับสนามแม่เหล็กซึ่งจะเป็นหลักพื้นฐานที่มาจากการชาร์จประจุไฟฟ้าในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีอยู่ในอุปกรณ์โซลิดสเตท รวมทั้งใช้ในการประมวลผลและใช้ในการบรรจุข้อมูลในหน่วยประมวลผลของฮาร์ดดิสอีกด้วย ข้อดีของการนำสปินโทรนิคมาศึกษา เกิดนอนโวลาร์ริตี้ การประมวลผลที่เร็วเกิดขึ้น ช่วยลดเวลาการกักเก็บพลังงาน และ อีกทั้งยังมีความหนาแน่นที่มากกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำทั่วไป สปินโทรนิคนี้จะพยายามควบคุมสถานะการสปินของแต่ละโมเลกุลด้วยตัวของมันเอง ซึ่งนักเคมีและนักฟิสิกส์จากKiel University ได้ร่วมมือกันระหว่าง ประเทศฝรั่งเศส และ สวิสเซอร์แลนด์ ที่จะทำการออกแบบและทดลองการสปินแบบเชิงเดี่ยวบนพื้นผิววัสดุ สิ่งใหม่ที่จะเกิดขึ้นเมื่อการพัฒนาในระดับโมเลกุลนี้จะทำให้สถานะการสปินนั้นสมดุล และ จะไม่สูญเสียสมบัติการดูดกลืนพลังงานบนพื้นผิวอีกด้วยและได้ถูกนำเสนอในวรสารวิชาการในหัวข้อ  Nature Nanotechnology


          ในสถานะการสปินของโมเลกุลนั้นจะมีส่วนประกอบหลายๆอย่างที่จะส่งผลให้เกิดการสมดุลในระบบซึ่งการออกแบบนี้จะคล้ายคลึงกับพื้นฐานทางวงจรอิเล็กทรอนิกส์ในคอมพิวเตอร์ หรือที่เรียกว่า วงจรแบบฟลิป-ฟลอป วงจรฟลิป-ฟลอปที่ได้นำมายกตัวอย่างซึ่งเป็นพื้นฐานในการออกแบบสถานะสปินของ สปินโทรนิคนั้น จะมีหลักการที่ว่า เริ่มต้นที่ฟลิป-ฟลอปเป็นวงจรที่เป็นอิเล็กทรอนิกส์ที่มีเอ้าท์พุทอยู่2สถานะในระบบ คือ สถานะ Q และ Q* เมื่อป้อนโลจิก=1 ที่Qนั้นจะส่งผลให้ Q*จะมีโลจิกตรงกันข้ามก็คือ0นั่นเอง ซึ่งจะมีส่วนที่เกี่ยวข้องกับสถานะการสปินโทรนิคก็คือ ชนิดของโมเลกุลลักษณะใหม่นั้น จะมีส่วนประกอบ3ส่วนเข้าด้วยกัน นั่นคือ การป้อนกลับแบบลูป หรือ feedback loop ซึ่งจะส่งผลให้ลักษณะรูปทรงที่แตกต่างกัน ซึ่งจะเป็นแบบระนาบ หรือ เรียบ ต่อมาส่วนที่สอง จะเป็นแบบพร็อกซิมิตี้ของสองยูนิตย่อยๆ หรือที่เรียกว่า คอร์ออดิเนชั่นมีลักษณะคล้ายคลึงกับ ตรรกะศาสตร์(logic) ว่าจริงหรือเท็จ(yes or no) ขึ้นอยู่กับการออกแบบทางตรรกะศาสตร์ของคณิตศาสตร์ในระบบของสถานะสปิน และ ส่วนที่สามเป็นส่วนสุดท้ายที่จะบ่งบอกว่า ลักษณะของสปินโทรนิคนั้นจะมีลักษณะที่มีการสปิน แบบสปินสูง(high-spin) หรือ แบบสปินต่ำ(low-spin) เมื่อโมเลกุลนั้นเกิดการระเหิดและเกาะตัวอยู่บนพื้นผิวของเงินที่ทำการทดลองจะทำให้เกิดการสวิทซ์หรือเปลี่ยนสถานะตัวมันเองไปยังค่าอาร์เรย์บนพื้นผิวที่มีค่าสูงๆได้ ดังนั้นในแต่ละโมเลกุลจะสามารถแยกและบอกตำแหน่งที่อยู่ของแต่ละอาร์เรย์ได้จากวิธีการ scanning tunneling microscope และ การเปลี่ยนแปลงระหว่างสถานะระหว่างประจุบวกและประจุลบของการสปิน

             Dr. Manuel Gruber และ นักออแกนิกเคมี Dr. Rainer Herges ได้อธิบายเกี่ยวกับเรื่องนี้ไว้ว่า สปินแบบใหม่ที่สามารถเปลี่ยนสถานะตัวมันเองได้นั้นจะต้องตระหนักถึงไม่เพียงแค่ในหนึ่งโมเลกุลนั้น แต่จะต้องตระหนักถึงการเปลี่ยนแปลงสถานะได้หลายๆโมเลกุลในแต่ละส่วนประกอบ เปรียบเสมือนกับทรานซิสเตอร์ และ รีสิสเตอร์ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ดังนั้นในภายภาคหน้าจะสามารถจัดเตรียมการทดลองและศึกษาเพิ่มเติมที่มีความสลับซับซ้อนด้านโครงสร้างโมเลกุลของสารประกอบตัวอื่นๆต่อไปได้ในอนาคต 


          การออกแบบโครงสร้างโมเลกุลที่มีขนาดเล็กมากๆร่วมกันกับอะตอมจะทำให้มีความแม่นยำมากขึ้นในการคาดคะเนส่วนประกอบในโมเลกุลนั้นๆ ว่าจะมีการตอบสนองต่อคุณสมบัติทางไฟฟ้า หรือ ตอบสนองต่อสิ่งเร้าของออปติคัล ซึ่งจะทำให้การกำหนดออกแบบให้เหมาะสมกับทางกายภาพและทางคุณสมบัติทางเคมีให้มีเอกลักษณ์ที่จะทำให้เกิดการพัฒนาอุปกรณ์ใหม่ๆ ในอนาคตข้างหน้าได้มีความหลากหลายมากยิ่งขึ้น เช่น การควบคุมพื้นผิวแบบคาตาไลซ์ หรือ อุปกรณ์ออปติกคอล

 

อ้างอิง

• https://phys.org/nanotech-news/
• https://www.nature.com/articles/s41565-019-0594-8
• https://th.betweenmates.com/difference-between-latch-and-flip-flop-771300