กล้องที่สามารถจับการเคลื่อนไหวของอิเล็กตรอน

(ภาพจาก https://bit.ly/2CUA0j8)

ในการใช้กล้องกล้องดีเอสแอลอาร์ (DSLR) สิ่งที่ควรระวังในการปรับค่าเพื่อให้ภาพคมชัดไม่เบลอคือความเร็วชัตเตอร์ (Shutter speed) ซึ่งคือระยะเวลาที่เซนเซอร์ได้รับแสง โดยส่วนมากแสดงค่าเป็นเศษส่วนของวินาที วัตถุที่เคลื่อนที่เร็วเช่น รถแข่งหรือนักกีฬาวิ่ง ถ้าต้องการจะได้ภาพคมชัดจะต้องตั้งค่าความเร็วชัตเตอร์ให้สูง แต่นี่ยังเทียบไม่ได้กับการทดลองทางฟิสิกส์ที่ Physics Centre at Kiel University ประเทศเยอรมนี ที่ใช้กล้องอีกแบบหนึ่งซึ่งถือว่าเป็นหนึ่งในกล้องที่เร็วที่สุดในโลกที่นักวิทยาศาสตร์ใช้เพื่อจับการเคลื่อนไหวของอิเล็กตรอน


ปัจจุบันแผงโซลาร์เซลล์นั้นยังมีประสิทธิภาพน้อยมีพลังงานเพียงส่วนน้อยเท่านั้นที่สามารถแปลงเป็นไฟฟ้าได้ แผงโซลาร์เซลล์ส่วนใหญ่ที่ขายตามท้องตลาดมีประสิทธิภาพเพียง 15%-17% เท่านั้น ที่เป็นเช่นนี้เพราะในระหว่างการเปลี่ยนแสงไปเป็นไฟฟ้าเช่นในแผงโซลาร์เซลล์ พลังงานส่วนใหญ่สูญเสียไปเกิดจากพฤติกรรมของอิเล็กตรอนภายในวัสดุ เมื่อแสงพุ่งไปชนกับวัสดุ มันจะกระตุ้นพลังงานอิเล็กตรอนของวัสดุเป็นระยะเวลาเพียงเศษเสี้ยววินาที ก่อนที่พลังงานจะถูกส่งไปยังสิ่งแวดล้อม


เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นในระยะเวลาที่สั้นมากระดับเฟมโตวินาทีหรือ 10 ยกกำลัง -15 ของหนึ่งวินาที ด้วยความเร็วระดับนี้แม้แต่กล้องดีเอสแอลอาร์ที่แพงที่สุดก็ไม่สามารถจับภาพได้ กระบวนการนี้จึงยากที่จะถูกสำรวจ แต่นักฟิสิกส์เป็นคนเก่งและไม่ยอมแพ้อะไรง่ายๆ ทีมนักวิจัยจาก Institute of Experimental and Applied Physics at Kiel University (CAU) จึงประสบความสำเร็จในการศึกษาการแลกเปลี่ยนพลังงานของอิเล็กตรอนและสิ่งแวดล้อมตามเวลาจริง มันเป็นเรื่องมหัศจรรย์มากที่มนุษย์สามารถสังเกตสิ่งต่างๆในระยะเวลาที่สั้นมากระดับเฟมโตวินาทีได้ การวิจัยที่แสนพิเศษนี้ถูกตีพิมพ์ลงในวารสารวิชาการชื่อดัง Physical Review Letters  เดือนธันวาคม ค.ศ. 2018


โดยในงานวิจัยนี้ ได้ทำการฉายแสงไปยังแกรไฟต์ด้วย ultrashort light pulse และถ่ายภาพพฤติกรรมของอิเล็กตรอน ซึ่งการศึกษานี้จะทำให้เราเข้าใจอิเล็กตรอนในระดับรากฐานและอาจนำไปประยุกต์ใช้ประโยชน์ในอนาคตได้


คุณสมบัติต่างๆ ของวัสดุแต่ละชนิดนั้นขึ้นอยู่กับการประพฤติตัวของอะตอมและอิเล็กตรอนของวัสดุนั้นๆ แบบจำลองพื้นฐานที่อธิบายพฤติกรรมของอิเล็กตรอนนั้นเรียกแนวคิดนี้ว่า แก๊สของเฟอมี (Fermi gas) ในแบบจำลองนี้จะพิจารณาอิเล็กตรอนในวัสดุเป็นระบบแบบแก๊ส (gaseous system) เพื่อให้สามารถอธิบาย อันตรกิริยาที่อิเล็กตรอนกระทำต่อกันและกันได้ง่ายขึ้น การทดลองทำโดยเมื่อตัวอย่างถูกฉายแสงด้วย ultrashort light pulse อิเล็กตรอนจะถูกกระตุ้นในช่วงเวลาสั้นๆ และเมื่อฉายแสง light pulse ลำดับที่สองลงไปมันจะปลดปล่อยอิเล็กตรอนออกจากแกรไฟต์  เราก็จะสามารถวิเคราะห์รายละเอียดคุณสมบัติอิเล็กตรอนของแกรไฟต์หลังจากถูกกระตุ้นด้วย ultrashort light pulse ได้ โดยมีกล้องพิเศษถ่ายภาพเหตุการณ์ที่แสนสั้นนี้ได้ โดยเหตุการณ์ทั้งหมดเกิดขึ้นในระยะเวลาเพียง 13 เฟมโตวินาที กล้องที่ใช้ถ่ายจึงเป็นหนึ่งในกล้องอิเล็กตรอนที่เร็วที่สุดในโลก
 

ฟิล์มบันทึกแสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่าการแจกแจงพลังงาน(energy distribution) ในแกรไฟต์มีการเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรในช่วงระยะเวลา 50 เฟมโตวินาที
(ภาพจาก https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.256401)

ในการทดลองใช้การฉายแสง ultrashort light pulse เป็นระยะเวลาเพียงแค่ 7 เฟมโตวินาที การชนของอนุภาคแสงหรือเรียกอีกอย่างหนึ่งว่าโฟตอน (photon) จะไปรบกวนสภาพสมดุลทางความร้อน (thermal equilibrium) ของอิเล็กตรอน และทีมวิจัยก็ถ่ายภาพพฤติกรรมของอิเล็กตรอนจนกระทั่งสมดุลกลับสู่สภาพเดิมหลังจากเวลาผ่านไปประมาณ 50 เฟมโตวินาที


ฉะนั้นเหตุการณ์การทดลองที่จะเกิดขึ้นมีดังนี้ อย่าแรกการฉายแสงทำให้อิเล็กตรอนได้ดูดกลืนพลังงานแสงจากโฟตอนและเนื่องด้วยเหตุนี้มันจึงถูกเปลี่ยนไปเป็นพลังงานทางไฟฟ้า จากนั้นพลังงานก็ถูกแจกแจงไปยังอิเล็กตรอนตัวอื่นๆ ก่อนที่จะถูกส่งต่อไปยังอะตอมรอบๆ  และกระบวนการสุดท้ายพลังงานทางไฟฟ้าถูกเปลี่ยนเป็นความร้อนทำให้แกรไฟต์ร้อนขึ้น
 

การทำงานของ Time- and angle-resolved photoemission spectroscopy (trARPES)
(ภาพจาก http://qcmd.mpsd.mpg.de/index.php/tARPES.html)

อุปกรณ์ที่ใช้ในการวิจัยนี้เรียกว่า Time- and angle-resolved photoemission spectroscopy (trARPES) โดยทั่วไปเครื่อง Photoemission spectroscopy (PES) จะเป็นการวัดพลังงานของอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากของแข็ง ของเหลว หรือแก๊ส ด้วยปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (การหลุดของอิเล็กตรอนออกจากผิวโลหะเนื่องจากผิวโลหะมีแสงตกกระทบ) โดย Angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้หลักการนี้เพื่อตรวจวัดโครงสร้างของอิเล็กตรอนเป็นฟังก์ชันของโมเมนตัมและพลังงานในของแข็ง แต่เจ้าเครื่องนี้ไม่สามารถให้ข้อมูลโดยตรงของอิเล็กตรอนในช่วงสถานะ nonequilibrium ได้ การทดลองนี้จึงใช้เครื่อง trARPES ที่สามารถใช้ตรวจตอนอิเล็กตรอนที่ได้รับการกระตุ้นด้วยแสง (Photoexcitation) ได้ และมันยังสามารถตรวจดูในช่วงระยะเวลาที่สั้นมากในระดับเฟมโตวินาทีได้


การทดลองนี้ทำให้เราเห็นภาพอย่างชัดเจนและช่วยยืนยันการทำนายทางทฤษฎีเกี่ยวกับเรื่องนี้ คิดดูให้ดีแล้วมันน่าทึ่งมากว่ามนุษย์สามารถทำการวิจัยไปดูคุณสมบัติของอิเล็กตรอนในช่วงเวลาที่แสนสั้นมากแบบนี้ได้อย่างไร และการทดลองทางวิทยาศาสตร์อีกหลายอย่างก็น่าทึ่งไม่แพ้กัน มันไม่น่าเป็นไปได้เลยแต่มันก็เป็นไปแล้ว  และเหตุผลที่อยู่เบื้องหลังเรื่องราวแสนมหัศจรรย์เหล่านี้ก็คือพลังของมันสมองของมนุษย์และพลังของวิทยาศาสตร์


 

เรียบเรียงโดย

ณัฐพล โชติศรีศุภรัตน์
ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ

• [1] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.256401
• [2] https://phys.org/news/2018-12-world-fastest-cameras-captures-motion.html
• [3] https://www.researchgate.net/publication/312533229_High_speed_cameras_for_motion_analysis_in_sports_science
• [4] https://news.energysage.com/what-are-the-most-efficient-solar-panels-on-the-market/
• [5] http://qcmd.mpsd.mpg.de/index.php/tARPES.html