จากควอนตั้มสู่การวิจัยสารกึ่งตัวนำแบบควอนตั้ม

          ในสมัยก่อน การศึกษาควอนตั้มฟิสิกส์นั้น ยังเป็นเรื่องไกลตัว ซึ่งส่วนมากล้วนเกิดจากการจินตนาการของนักฟิสิกส์ชื่อดัง หลายๆท่าน ไม่ว่าจะเป็น ชโรดิงเงอร์ แม็ก พลังค์ รวมถึง ศาสตราจารย์ ชื่อ ก้องโลก อย่าง ไอน์สไตน์ ที่ยังเคยบอกว่า แสงนั้นมีลักษณะคล้ายเป็นก้อนทรงกลม ทางควอนตั้ม ที่เรียกกันว่า ก้อนของโฟนอน จากที่เคยจินตนาการถึงลักษณะและพฤติกรรมของควอนตั้ม ศาสตร์ทางควอนตั้มนั้นได้พัฒนามาเรื่อยๆจนกระทั่งใน ณ ปัจจุบัน ทฤษฎีทางควอนตั้มนั้นได้นำมาประยุกต์ใช้กับ หลายสาขาวิชา ยกตัวอย่างเช่น ที่เป็นข่าวดังๆเลย เมื่อปีที่แล้ว ควอนตั้มคอมพิวเตอร์ ที่ได้นำหลักการและวิธีการทางควอนตั้มฟิสิกส์นั้นมาประยุกต์ใช้กับคอมพิวเตอร์ ไม่ว่าจะเป็น การคำนวณทางควอนตั้มคอมพิวเตอร์ที่เมื่อ เจ้าควอนตั้มคอมพิวเตอร์นั้นทำการคำนวนและประมวลผล แล้ว จะมีค่าความคาดเคลื่อน หรือที่เรียกสั้นๆว่า Tolerance นั้นมีค่าที่น้อยกว่า เมื่อเทียบกับคอมพิวเตอร์ที่ใช้อยู่กันทุกวันนี้ รวมทั้งภายในตัวจรนั้น ยังได้ถูกออกแบบมาให้เป็น วงจรแบบควอนตั้ม โดยที่จะมีการประมวลผลทาง ตรรกะ หรือ ลอจิกที่ไวกว่า จากในรูปแบบดั้งเดิมคือ มีแค่ 0 ไม่ก็ 1 แต่ถ้าเป็นแบบ ควอนตั้มจะมีทั้ง <01>และ<011> ไปพร้อมกันได้


          ซึ่งนอกเหนือจากเทคโนโลยีควอนตั้ม ที่นำมาปรับใช้กับคอมพิวเตอร์แล้ว ยังมีการศาสตร์ทางควอนตั้มนั้นไปใช้งานร่วมกันกับทางเคมี ไม่ว่าจะเป็น ควอนตั้มเคมี เป็นการศึกษาโครงสร้างโมเลกุลเคมี และหลังจากนั้น ทำการวิเคราะห์ด้วยหลักการทางควอนตั้ม เพื่อปรับปรุงโครงสร้างให้มีคุณสมบัติที่ดี ลดความผิดพลาดที่เกิดจากการทดลองได้ ทั้งนี้ทั้งนั้นควอนตั้มยังมีการนำไปใช้กับทางวัสดุศาสตร์อีกด้วย จากการศึกษางานวิจัยชิ้นนี้จากสถาบัน Rensselaer Polytechnic Institute เป็นการนำการคำนวนทางควอนตั้มนั้นมาปรับใช้กับทางวัสดุศาสตร์ เพื่อปรับปรุงและพัฒนาวัสดุโซลาร์เซลล์นั้นอีกด้วย ซึ่งจากการค้นพบนี้เป็นการค้นพบทางด้านฟิสิกส์ในแขนงของศาสตร์ออปติกของผลกระทบของฮอล์แบบควอนตั้ม(Quantum Hall effect) ซึ่งได้ถูกตีพิมพ์ในวรสาร Physical Review Xลงไปด้วย ก่อนอื่นเราจะไปรู้ว่า Quantum Hall effect หรือ ผลกระทบแบบฮอลล์ชนิดควอนตั้มนั้น คืออะไร เราไปรู้จักกับหลักการพื้นฐานซึ่งก็คือ Hall effect หรือ ผลกระทบแบบฮอลล์กันก่อน


          Hall effect หรือ ภาษาไทยเราเรียกกันง่ายๆว่า ผลกระทบแบบฮอลล์นั้น เป็นหลักการที่ว่า เมื่อมีแผ่นตัวนำไฟฟ้า ซึ่งเมื่อกระแสไหลผ่านแผ่นตัวนำไฟฟ้านี้จะทำให้เกิดฟลั๊กซ์ของแม่เหล็กเกิดขึ้น จึงทำให้เกิดการเหนี่ยวนำสนามไฟฟ้า หรือแรงดันฮอลล์เกิดขึ้น ซึ่งเมื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าผ่านไปยังตัวนำจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลผ่านบริเวณตัวแผ่นนำไฟฟ้า  โดยที่เจ้าตัวอิเล็กตรอนนั้นจะวิ่งจากประจุขั้วลบไปสู่ขั้วบวก ซึ่งเมื่อมีฟลักซ์แม่เหล็กนั้นมากระทำกับตัวแผ่นนำไฟฟ้าแล้วจะทำให้เกิดการไหลของพาหะประจุจากล่างสู่ด้านบน ซึ่งเมื่อวัดความแตกต่างของกระแสระหว่างแผ่นล่างกับแผ่นบนนั้น ซึ่งความเข้มสนามแม่เหล็กนั้นจะขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็ก ถ้ามีฟลั๊กซ์แม่เหล็กมากจะทำให้เกิดความเข้มของสนามแม่เหล็กนั้นมากตามไปด้วย ซึ่งหลักการ Hall effect ที่ว่านี้ นำไปทำเป็นวงจรรวมสำหรับใช้ทำเซนเซอร์ได้อีกด้วย            จากหลักการผลกระทบแบบฮอลล์ข้างต้น จากพื้นฐานสู่การคิดค้น ผลกระทบแบบฮอลล์ชนิดควอนตั้ม ที่นำมาใช้ศึกษาเกี่ยวกับวัสดุที่ใช้ทำในโซลาร์เซลล์ โดยผลกระทบแบบฮอลล์ชนิดควอนตั้ม(Quantum Hall effect)นั้นมีหลักการที่ว่า จะเป็นการศึกษาความแตกต่างแรงดันของเชิงกลทางไฟฟ้า ซึ่งเมื่อนำวัสดุสารกึ่งตัวนำจะถูกเหนี่ยวนำในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีขนาดใหญ่ โดยที่หลังจากเกิดการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กนั้น แล้วจะส่งผลให้อิเล็กตรอนนั้นจะเกิดการเคลื่อนไปยังทั่วทั้งสารกึ่งตัวนำ ไม่ใช่เพียงแค่รอบนอกของสารกึ่งตัวนำ ซึ่งจากปรากฏการณ์ผลกระทบแบบฮอลล์ของควอนตั้มนั้น สู่การศึกษาและต่อยอดไปยัง การเกิดควอนไทเซชั่นของเอ็กซิตรอนที่เป็นการค้นพบอนุภาคภายใต้ transitional metal dichalcogenide หรือ โลหะแทรนซิชั่นแบบไดแคลโคจีไนท์ ที่เป็นการนำส่วนผสมทางเคมีของ แคลโกเจน และ ธาตุหมู่โลหะแทรนซิชั่นมาผสมกัน จะทำให้โครงสร้างนั้นจะมีลักษณะซ้อนทับกันคล้ายกับขนมปังแซนวิช ในรูปแบบ 2มิติ ซึ่งจะทำให้มีคุณสมบัติ เมื่อเกิดการชาร์จประจุบวกและประจุลบเข้าด้วยกันจะเกิดการยึดเหนี่ยวระหว่างสองโมเลกุลนี้อย่างหนาแน่น ทำให้เกิดการกักเก็บพลังงานทั้งหมดไว้ได้ดีขึ้น


          Shi นักศึกษาจากสถาบัน Rensselaer Polytechnic Institute ได้ทำการศึกษาค้นคว้าวิจัย ที่เป็นงานวิจัยที่ล้ำหน้า(Frontier Research)เกี่ยวกับการนำคุณสมบัติควอนไทซ์ของเอ็กซิตรอนนั้นมาทำการดัดแปลงเข้ากับอุปกรณ์หลากหลายชนิด ไม่ว่าจะเป็น หน่วยความจำในการคำนวนควอนตั้ม และ การเก็บพลังงานโซลาร์ โดยที่ในงานวิจัยชิ้นนี้ Shi นั้นยังได้บอกอีกว่า ได้ศึกษาหลักการและพฤติกรรมของเอ็กซิตรอนนั้นซึ่งจะถูกแทนที่ด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้าขนาดใหญ่ ที่จะประกอบไปด้วย พลังงานควอนไทซ์ หรือที่เรารู้จักกันดีว่า การควอนไทซ์แบบรันเดา ซึ่งการควอนไทซ์แบบรันเดานี้ จะเป็นการอธิบายถึงการควอนไทซ์ หรือ การเคลื่อนที่ของอนุภาคไซโครตรอนโดยที่ในอนุภาคนั้นจะมีประจุเพื่อให้เกิดการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้น ซึ่งเมื่อเกิดประจุภายในอนุภาคนั้นจะทำให้วงโคจรของอิเล็กตรอนนั้นมีค่าพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องกัน ที่เราเรียกว่า ระดับชั้นพลังงานของรันเดา ซึ่งจากการศึกษาผลกระทบแบบฮอลล์ของควอนตั้มนั้นที่จะนำไปสู่การพัฒนาในส่วนของสายงานออปติคัลฟิสิกส์(Optical Physics)นั้นให้กว้างมากยิ่งขึ้น โดยการนำหลักของควอนตั้มมาผนวกเข้าด้วยกัน ซึ่งจะทำให้เกิดองค์ความรู้ใหม่ๆที่เกิดในควอนตั้มมฟิสิกส์ ให้ค้นคว้าและวิจัยพัฒนาต่อไปได้ในอนาคต

ที่มา 

• phys.org/news/2020-04-first-of-its-kind-discovery-quantum-technologies.html
• https://sensorss.jimdofree.com/
• https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry/landau-level
• https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-030-02171-9_6