ฟิสิกส์อิเล็กทรอนิกส์ตอนที่7 : มหัศจรรย์อภิวัสดุและการสร้างอะตอมเทียม

          วัสดุหรือสสารทุกชนิดล้วนแล้วแต่มีองค์ประกอบย่อยที่สุดคืออะตอม อะตอมมีโครงสร้างหลักคือนิวเคลียส ที่มีประจุสุทธิเป็นบวกอยู่ตรงกลางและมีอิเล็กตรอนโคจรอยู่โดยรอบ คำถามที่น่าสนใจก็คือ เราสามารถที่จะมองว่าอิเล็กตรอนที่โคจรอยู่โดยรอบนั้นเป็นเสมือนกระแสไฟฟ้าที่ไหลเวียนอยู่รอบๆนิวเคลียสได้หรือไม่? ถ้าได้ เราจะสามารถมองว่าอะตอมใดๆเปรียบเสมือนวงจรไฟฟ้าที่มีกระแสไฟฟ้าไหลเวียนอยู่ในวงจรได้หรือไม่? ถ้าสามารถมองเป็นเช่นนั้นได้ เราก็น่าที่จะสามารถออกแบบวงจรไฟฟ้า ที่มีคุณลักษณะทางไฟฟ้าและพฤติกรรม “เลียนแบบ” อะตอมจริงได้หรือไม่? ถ้าได้อีกเช่นกัน ก็แสดงว่าเราจะสามารถสร้าง “อะตอมเทียม” ขึ้นมาจากวงจรอิเล็กทรอนิกส์ได้ เมื่อเราสามารถ “ออกแบบ” อะตอมได้ตามที่ต้องการ เราก็น่าจะนำอะตอมเทียมเหล่านี้มาสร้างเป็นวัสดุรูปแบบใหม่ๆที่ไม่เคยมีอยู่ในธรรมชาติได้ อาทิ วัสดุที่มีดัชนีหักเหแสงเป็นลบ เป็นต้น           การพิจารณาว่า พฤติกรรมการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสของอะตอมเปรียบเสมือนวงจรไฟฟ้าที่มีกระแสไฟฟ้าไหลเวียนอยู่ในวงจรได้หรือไม่ เราจะเริ่มต้นจากการพิจารณาถึงนิยามของไดโพลโมเมนต์แม่เหล็ก (magnetic dipole moment: μ) ซึ่งในทางฟิสิกส์ เราได้นิยามไดโพลโมเมนต์แม่เหล็กไว้ว่าเป็น ผลคูณของกระแสไฟฟ้า(I) กับพื้นที่(A) ดังสมการที่ 1

 

          นั่นคือเราสามารถมองการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสของอะตอมเปรียบเสมือนว่าเป็นวงจรไฟฟ้าที่มีกระแสไฟฟ้าไหลเวียนอยู่ในวงจรได้ ดังรูปที่2

            เราจะเริ่มต้นการสร้างอะตอม(เทียม)จากวงจรอิเล็กทรอนิกส์ โดยเริ่มต้นจากการพิจารณาถึงพฤติกรรมการตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่จะต้องคล้ายคลึงกับการตอบสนองต่อสนาม แม่เหล็กไฟฟ้าของอะตอมจริง วงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่มีพฤติกรรมการตอบสนองในลักษณะนี้ จะเป็นวงจรอิเล็กทรอนิกส์จำพวก split ring resonator (SRR) ดังแสดงในรูปที่ 3 ที่ประกอบไปด้วยตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำเสมือน

            วงจรอิเล็กทรอนิกส์ split ring resonator (SRR) ดังแสดงในรูปที่ 3 และ 4 นั้น สามารถใช้สร้างอะตอมเทียมขึ้นมาได้ โดย SRR 1 วงจรก็เปรียบเสมือนอะตอม 1 อะตอม ดังนั้น การนำ SRR ไปใช้งานจริงเราจะไม่นำ SRR เพียง 1 วงจรไปใช้ แต่จะนำ SRR จำนวนมากมายมหาศาลมาเรียงต่อกันเป็นโครงข่าย (array) และเรียกวัสดุใหม่ที่เกิดจากโครงข่ายของอะตอมเทียมเหล่านี้ว่า อภิวัสดุ (Metamaterials)


          อภิวัสดุเป็นวัสดุแบบใหม่ ที่เราสามารถออกแบบและกำหนดคุณลักษณะของตัววัสดุได้ตามที่ต้องการ อภิวัสดุสามารถนำไปใช้สร้างวัสดุมหัศจรรย์ต่างๆได้ อาทิ วัสดุที่มีดัชนีหักเหเป็นลบ (negative refractive index) ที่สามารถนำไปใช้สร้างเลนส์ยิ่งยวด (superlens) ซึ่งเป็นเลนส์ที่มีอัตราขยายภาพที่ให้ความละเอียดของภาพที่สูงยวดยิ่งได้ สามารถใช้หักเหแสงจนทำให้วัตถุที่ถูกห่อหุ่มอยู่เสมือนว่าล่องหนได้ เป็นต้น

            ขนาดของ SRR สามารถมีได้หลายขนาด มีตั้งแต่ขนาดไม่กี่มิลลิเมตรไปจนถึงไม่กี่นาโนเมตร ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับลักษณะของงานที่จะนำไปใช้ นอกจากนี้ อภิวัสดุ ทำให้เราสามารถออกแบบคุณสมบัติของวัสดุได้ตามที่ต้องการ โดยที่ไม่จำเป็นต้องมีพฤติกรรมเหมือนกันกับวัสดุที่มีอยู่ในธรรมชาติ และยังนำเราไปสู่การเข้าใจถึงปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ใหม่ๆและพฤติกรรมของอะตอมได้ดีขึ้นอีกด้วย เมื่อเราสามารถสร้างอะตอม(เทียม)ได้เอง!

 

อ้างอิง

[1] https://phys.org/news/2011-08-wrong.html (สืบค้นเมื่อวันที่ 29 ธันวาคม พ.ศ. 2563)

[2] https://phys.libretexts.org/Bookshelves/University_Physics/Book%3A_University_Physics_
     (OpenStax)/Map%3A_University_Physics_III_-_Optics_and_Modern_Physics_(OpenStax)/
     08%3A_Atomic_Structure/8.03%3A_Orbital_Magnetic_Dipole_Moment_of_the_Electron 
     (สืบค้นเมื่อวันที่ 29 ธันวาคม พ.ศ. 2563)

[3] Baena, Juan & Bonache, Jordi & Martín, Ferran & Marques, R. & Falcone, Francisco & Lopetegi, 
    Txema & Laso, Miguel & García-García, Joan & Gil, Ignacio & Portillo, Maria & Sorolla Ayza, 
    Mario. (2005). Equivalent-Circuit models for split-ring resonators and complementary split-ring 
    resonators coupled to planar transmission lines. Microwave Theory and Techniques, IEEE 
    Transactions on. 53. 1451 - 1461. 10.1109/TMTT.2005.845211.

[4] https://scholar.harvard.edu/files/marios_matthaiakis/files/phdtalkv1.pdf
     (สืบค้นเมื่อวันที่ 29 ธันวาคม พ.ศ. 2563)

[5] Wright, Derek & Cobbold, Richard. (2009). The Characteristics and Applications of 
     Metamaterials. Ultrasound. 17. 68-73. 10.1179/174313409X415639.