ผลึกคริสตัลกับการสร้างแบบจำลองทางควอนตัม

รูปที่1 ผลึกคริสตัล
ที่มา https://cosmosmagazine.com/science/physics/time-crystals-latest-quantum-weirdness/

 

          ในโลกปัจจุบัน ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีเริ่มทันสมัยมากยิ่งขึ้น เพื่อมาช่วยการทำงานของมนุษย์อย่างเรานั้น สะดวก รวดเร็ว และ ลดความผิดพลาด ได้ผลเป็นอย่างมากกว่าแต่ก่อน ในสมัยก่อนนั้นเราจะศึกษาโครงสร้างโมเลกุลของสาร และ คุณสมบัติทางเคมี ก่อนที่จะนำไปทำการทดลองนั้นซึ่งเป็นไปได้ยากมากจึงเกิดสิ่งที่มนุษย์ช่วยกันคิดค้นเพื่อนำความสะดวกสบายในการทำนายโครงสร้างโมเลกุลของสารที่เรียกว่า การสร้างแบบจำลองทางควอนตัม โดยที่นำหลักการทางควอนตัมฟิสิกส์ ที่เราเคยศึกษา และ หลักการทางเคมี ผนวกเข้ากันกับทางคอมพิวเตอร์ เพื่อนำมาช่วยในการทำงานของมนุษย์นั้นได้รับการสะดวกสบายมากยิ่งขึ้น จากการสร้างแบบจำลองทางควอนตัมได้มีงานวิจัยชิ้นหนึ่งที่น่าสนใจเป็นอย่างมาก จากUniversity of Freiburg's โดยการนำคุณสมบัติทางควอนตัมพื้นฐาน เช่น อะตอมที่เย็นจัด หรือ ultracold atoms มาใช้ในการศึกษาโครงสร้างคริสตัล(crystal structure)ของวัสดุ และได้ถูกตีพิมพ์ลงในวรสารวิชาการjournal Physical Review Letters ซึ่งการศึกษางานวิจัยทฤษฎีนี้ไม่มีแต่เพียง University of Freiburg's แต่ยังมีมหาลัยต่างๆไม่ว่าจะมาจาก ออสเตรีย และ อินเดีย ที่ช่วยกันศึกษางานวิจัยชิ้นนี้

 

          ในธรรมชาติรอบตัวเรานั้น คริสตัลมีมากมายแพร่หลายเป็นอย่างมากในวัสดุที่แตกต่างกัน ตั้งแต่เกลือที่เรานำมาใช้รับประทานคู่กับเฟรนซ์ฟรายแสนอร่อย จนกระทั่ง โลหะหนัก ดั่งเช่น บิสมัท เป็นต้น ซึ่งต่อมาโครงสร้างเหล่านี้ได้ถูกพัฒนากันอย่างแพร่หลาย ให้มีลักษณะโครงสร้างนั้นมีสลับซับซ้อนรวมทั้งที่ให้พลังงานน้อยลงด้วย ดั่งเช่น รูปลูกบาศ์กจะมีส่วนประกอบทั้ง8ด้านของโมเลกุล ที่เมื่อรวมกันแล้วจะเป็น โครงสร้างคริสตัล หรือ crystal structure ตามธรรมชาติทั่วๆไป แต่ในโครงสร้างคริสตัลนั้น เราก็อยากที่จะพิจารณาถึง คุณสมบัติทางกายภาพ ดั่งเช่น วัสดุตัวนี้นำความร้อน นำไฟฟ้า มีการแตกหักอย่างไร รวมทั้งมีคุณสมบัติในการส่องสว่างได้มากน้อยขนาดไหน แต่เราเคยสงสัยหรือไม่ว่า เราจะพิจารณาคุณสมบัติทางกายภาพจากโครงสร้างคริสตัลนั้นได้อย่างไรกัน โดยที่ในการทดลองศึกษาคุณสมบัติทางควอนตัมของโครงสร้างคริสตัล โดยที่ทีมวิจัยได้ทำการจำลองกระบวนการควบแน่นของ โบส-ไอน์สไตน์ เพื่อใช้ในการดักจับอะตอมที่เย็นจัด โดยที่ให้อุณหภูมิลดลงใกล้เท่ากับ0 หรือ -273.15 เซลเซียล ในสภาวะที่ควบคุมได้ดี เพราะอะตอมนั้นมีความสามารถในการเปราะปรางได้สูง

 

          ก่อนที่จะไปสู่เนื้อหาของ ultracold atom และ การควบแน่นของโบส-ไอน์สไตน์ อยากจะให้ผู้อ่านได้เข้าใจถึง crystal structure หรือ โครงสร้างคริสตัลกันแบบคร่าวๆกันก่อน คริสตัล คืออะตอมที่ถูกจัดเรียงในรูปแบบ3มิติในทิศทางที่แตกต่างกันไป ซึ่งในหน่วยเล็กๆของคริสตัลนั้น เราจะเรียกกันว่า unit cell หรือ หน่วยเซลล์ซึ่งจะเป๋นตัวแทนของโครงสร้างโดยรวมทั้งหมด โดยที่การจัดเรียงตัวของโครงสร้างคริสตัลนั้นจะแตกต่างกันออกไปขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้ว่า เป็นโลหะ เป็นสารกึ่งตัวนำ เป็นเซรามิก หรือ เป็นอะโลหะ ดังรูปที่จะแสดงดังต่อไปนี้

รูปที่2 การจัดเรียงตัวของโครงสร้างคริสตัลในรูปแบบที่แตกต่างกันออกไป
ที่มา https://www.britannica.com/science/hexagonal-close-packed-structure

 

          ส่วนต่อมา บางท่านอาจจะสงสัยว่า ultracold atoms และ โบส-ไอน์สไตน์(Bose-Ensitein) นั้นคืออะไร ไปตามพร้อมๆกันได้เลย เริ่มต้นที่ ultracold atoms หรือ ภาษาไทยเรียกง่ายๆว่า อะตอมที่เย็นจัด เป็นอะตอมที่ถูกรักษามาตรฐานอุณหภูมิที่ต่ำมากๆ ที่0ไมโครเคลวิน หรือใกล้เคียง0 โดยที่อุณหภูมิของอะตอมนั้นเป็นส่วนที่สำคัญในการศึกษา กลศาสตร์ทางควอนตัมในการนำไปศึกษาเลเซอร์คูลลิ่ง ใน การดับจับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในทางออปติก(magneto-optical trap) เมื่อเรารู้พื้นฐานเบื้องต้นของ อะตอมที่เย็นจัดไปแล้ว สู่การนำไปประยุกต์ใช้โดยที่ อะตอมแบบultracold นั้นไปปรับใช้และควบคุมคุณสมบัติทางควอนตัม ไม่ว่าจะเป็นการคำนวณและการสร้างแบบจำลองทางควอนตัม ในการศึกษาฟิสิกส์แบบควบแน่น(Condensed matter physics) อีกทั้งข้อดีของ การนำหลักการอะตอมที่เย็นจัด(Ultracold atoms)มาใช้ร่วมกับการทดลอง ทำให้เกิดความแม่นยำในการวัดมากยิ่งขึ้น รวมทั้ง มีการรบกวนทางความร้อนที่น้อยเพื่อที่จะช่วยให้เกิดการเข้าใจและสะดวกสบายในการศึกษาควอนตัมฟิสิกส์ได้มากยิ่งขึ้น ซึ่งจากultracold atom ที่ได้กล่าวไปแล้วนั้น จะเกี่ยวข้องกันกับ การควบแน่นของโบส-ไอน์สไตน์ได้อย่างไรกัน มาติดตามกันได้เลย ว่ากันว่า ในรอบตัวของเรานั้นจะมีสถานะของสสารโดยทั่วไปคือ ของแข็ง ของเหลว แก๊ส และรวมถึง สสารพลาสมา แต่หารู้ไม่ว่า ยังมีอีกสถานะนึงที่ได้เกิดขึ้นนั่นก็คือ สถานะควบแน่น โบช-ไอน์สไตน์(Bose-Einstein condensate-BEC) เกิดจากเมื่อเราทำการลดอุณหภูมิของธาตุต่ำลงมากๆใกล้เคียงกับ0องศาสัมบูรณ์ จะทำให้ทุกอย่างเกิดการหยุดนิ่งและไม่เคลื่อนไหว คนคิดค้นทฤษฎีนี้คนแรกคือ สัตเยนทระ นาถ โบส นักวิทยาศาสตร์ชาวอินเดีย ที่ได้ทำการศึกษาการคำนวณทางควอนตัมเขิงสถิติจากนั้น จึงส่งผลงานไปให้ ไอน์สไตน์เพื่อศึกษาจนไอน์สไตน์นั้นประทับใจจนได้ตีพิมพ์ลงในวรสารฟิสิกส์ในเยอรมัน แต่ในสมัยก่อนยังไม่มีเทคโนโลยีที่ทันสมัยมากหนัก ทำให้เป็นได้เพียงแค่ทฤษฎีที่ได้คิดค้น จนเทคโนโลยีนั้นได้พัฒนามากขึ้น ได้มีการทดลองเพื่อพิสูจน์ทฤษฎีนี้ จนเป็นที่ยอมรับ และนำไปต่อยอดสู่ การสร้างแบบจำลองทางควอนตัมและการคำนวณ เพื่อใช้ในการอธิบาย ultracold atom โดยมีทฤษฎีโบส-ไอน์สไตน์ เป็นรากฐานสำคัญของการอธิบาย

รูปที่3 ตัวอย่างการศึกษาการชนกันของultracold atoms
ที่มา https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-01/uosa-crb011819.php



รูปที่4 สัตเยนทระ นาถ โบส(ซ้าย) และ ไอน์สไตน์(ขวา) ผู้คิดค้นการควบแน่นของโบส-ไอน์สไตน์
ที่มา http://casslab.sethberl.com/research/bec-background/

 

          เมื่อเรารู้ถึงแก่นแท้ของ ultracold atom และ โบส-ไอน์สไตน์เป็นที่เรียบร้อย จะสู่ช่วงท้ายของบทความนี้ คือ บทสรุปจากการทดลอง จากการทดลองข้างต้นได้กล่าวไป เมื่อนำพฤติกรรมของultracold atomsมาใช้เป็นส่วนนึงในการอธิบายโครงสร้างทางคริสตัลของอะตอมได้แล้วนั้น ถึงแม้ว่าเราจะสร้างแบบจำลองทางควอนตัมและทำการศึกษาการเติบโตของโครงสร้างคริสตัลที่แน่นอน โดยที่ผลการทดลองสามารถสรุปได้สองประเด็นหลักสำคัญๆได้แก่ 1.) ทางทีมวิจัยสามารถปรับปรุงคุณสมบัติโครงสร้างคริสตัลสำหรับการสร้างแบบจำลองควอนตัมได้ใกล้เคียงที่สุด แต่ในทางตรงกันก็ยังอาจจะเป็นไปไม่ได้สำหรับคริสตัลทั่วๆไป 2.) มาตรฐานในการอ่านผลของ cold-atom จากการสร้างแบบจำลองทางควอนตัมนั้นได้เป็นภาพข้อมูลที่แสดงให้เห็นถึงอนุภาคของคริสตัลที่สามารถมองเห็นได้ แต่คุณสมบัติทางควอนตัมนั้นยังยากที่จะศึกษาและสังเกต

 

          ในท้ายที่สุดแล้ว ทางทีมวิจัยจาก Freiburg, Vienna, และ Kanpur ยังอธิบายการศึกษานี้ไว้ว่า แบบจำลองทางควอนตัมสำหรับการศึกษารูปแบบคริสตัลจะสามารถยืดหยุ่นและปรับปรุงได้มากกว่านี้ในอนาคต เมื่อไหร่ที่สามารถสร้าง ultracold แบบสองขั้วในอนุภาคควอนตัม เพื่อใช้ในการศึกษาในระดับสูงยิ่งขึ้นไม่ใช่เพียงแค่โครงสร้างคริสตัลทั่วๆไปได้ โดยที่สามารถนำไปศึกษาและอธิบายถีงพลังงานจลน์ พลังงานศักย์และปฎิกิริยาพลังงานกับโครงสร้างคริสตัลและผลลัพธ์คุณสมบัติอื่นๆของคริสตัลต่อไปได้ในอนาคต

บทความโดย

นวะวัฒน์ เจริญสุข

วิศวกรรมยานยนต์
สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง