ข่าวสาร

แสงกับรางวัลโนเบล ตอนที่ 25 | ค.ศ.1997 สำหรับการพัฒนาวิธีการที่ทำให้อะตอมของก๊าซเย็นลงและการจับอะตอมด้วยแสงเลเซอร์

บทความ | ดร.ศรัณย์ สัมฤทธิ์เดชขจร

นักวิจัยอาวุโส ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ (เนคเทค-สวทช.)

เป็นที่รู้กันว่าโมเลกุลของอากาศที่อยู่ในอุณหภูมิห้องเคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 500 เมตรต่อวินาที และถ้าต้องการจะศึกษาโมเลกุลหรืออะตอมจำนวนน้อยๆ จะต้องทำให้มันเคลื่อนที่ช้าลงก่อน

การทำให้โมเลกุลหรืออะตอมของก๊าซเคลื่อนที่ช้าลงทำได้ง่ายๆ โดยการลดอุณหภูมิลงซึ่งจะทำให้สถานะของมันเปลี่ยนจากก๊าซไปเป็นของเหลว และ ของแข็ง ด้วย ผลที่ตามมาคือคุณสมบัติของอะตอมก็จะเปลี่ยนไปตามสถานะที่มันอยู่ในเวลานั้น

หลักการหนึ่งที่สามารถนำมาทำให้อะตอมเคลื่อนที่ช้าลงโดยไม่เปลี่ยนสถานะ คือ การอาศัยปรากฏการณ์ Doppler เพื่อทำให้อะตอมที่เคลื่อนที่อยู่ปล่อยพลังงานหรือดูดพลังงานเข้าไป โดยใช้โมเมนตัมของแสงช่วย หลักการนี้นำเสนอในช่วง ค.ศ. 1978 โดย Arthur Schawlow, Theodor Hänsch, David Wineland และ Hans Dehmelt

หัวใจของหลักการดังกล่าวจะอยู่ที่กับดักแสงและแม่เหล็ก (Magneto-optical trap) ที่ซึ่งจะมีการจัดเรียงลำแสงเลเซอร์ในแนวแกนหลักทั้งสามแกนเพื่อทำให้อะตอมเคลื่อนที่ช้าลงจากการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมอันเป็นผลมาจากการถูกยิงด้วยแสงเลเซอร์เป็นชุดๆ ในแนวแกนทั้งสาม

ในกระบวนการดังกล่าวนี้ อะตอมเคลื่อนที่เสมือนกับอยู่ในชั้นของเหลวด้วยความเร็วประมาณ 30 เซนติเมตรต่อวินาที (เทียบเท่ากับอะตอมถูกทำให้เย็นลงที่อุณหภูมิประมาณ 0.00024 เคลวิน) และ เราเรียกกลุ่มอะตอมนี้ว่า Optical Molasses การสาธิตเบื้องต้นนี้ทำโดย Steven Chu ในปี ค.ศ. 1985

ตัวอย่างของกลุ่มอะตอมของลิเธียมที่เย็นตัวลงจากผลงานวิจัยของ ETH Zurich

นอกเหนือจากการใช้แสงเลเซอร์แล้ว ในปีเดียวกัน William D. Phillips ยังได้อาศัยพื้นฐานการศึกษาระดับชั้นพลังงานของอะตอมด้วยสนามแม่เหล็กที่ Pieter Zeeman ได้ค้นพบขึ้น มาทำให้อะตอมของก๊าซเคลื่อนที่ช้าลงภายใต้สนามแม่เหล็ก ซึ่งเมื่อผสมผสานเข้ากับวิธีที่ Steven Chu สาธิตจะช่วยให้อะตอมเย็นลงไปได้อีกถึงระดับ 0.00004 เคลวิน

จากนั้นได้มีการปรับปรุงทฤษฎีใหม่โดย Claude Cohen-Tannoudji (ลูกศิษย์ของ Alfred Kastler) พร้อมทั้งมีการปรับปรุงสนามแม่เหล็กเพิ่มเติมจนสามารถทำให้อะตอมเย็นลงไปได้ถึง 0.00000025 เคลวิน (ความเร็วของอะตอมของก๊าซขณะนี้อยู่ที่ประมาณ 2 เซนติเมตรต่อวินาที) Claude Cohen-Tannoudji ยังได้ร่วมมือกับ William D. Phillips เพื่อสาธิตการทำให้อะตอมเคลื่อนที่ช้าลงและเรียงตัวกันใหม่ด้วยระยะห่างระหว่างอะตอมเท่ากับความยาวคลื่นแสง ซึ่งเรียกว่า Optical Lattice

นอกเหนือจากการทำให้อะตอมของก๊าซเย็นลงด้วยแสงเลเซอร์แล้ว Steven Chu ยังได้ศึกษาการใช้โมเมนตัมของแสงมาศึกษา relaxation ของโมเลกุลของ DNA ซึ่งพบว่าการแพร่ (Diffusion) ของ DNA สอดคล้องกับทฤษฎีที่ Pierre-Gilles de Gennes ได้สร้างขึ้นมา

ประวัติย่อ : Steven Chu

Steven Chu เกิดที่เมือง St. Louis ในปี ค.ศ. 1948 และเป็นลูกคนกลางจากทั้งหมด 3 คน ของครอบครัวที่มีบิดาจบปริญญาเอกทางวิศวกรรมเคมีจาก Massachusettes Institute of Technology และมารดาจบการศึกษาทางเศรษฐศาสตร์ นอกจากนี้ครอบครัวของเขาทั้งลุง ป้า น้า และอาก็ล้วนแต่ได้รับปริญญาเอกทางด้านวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ทั้งสิ้น

ช่วงที่เขาเรียนประถมก็สนใจทำการทดลองและสร้างสิ่งของโดยเฉพาะใช้ห้องนั่งเล่นในบ้านเป็นสถานที่ทำการทดลอง จากนั้นก็เริ่มสนใจเรขาคณิตระหว่างเรียนชั้นมัธยมและต่อมาสนใจเคมีซึ่งเคยทำชุดทดสอบความเป็นกรดและตรวจสอบปริมาณธาตุอาหารในดิน นอกจากการเรียนแล้ว Steven Chu ยังชอบเล่นกีฬาอย่างเบสบอล บาสเก็ตบอล และ เทนนิส

แรงจูงใจในการเรียนต่อทางด้านฟิสิกส์เกิดขึ้นขณะที่เรียนชั้นมัธยมและครูผู้สอนได้สาธิตให้เห็นของจริงควบคู่ไปกับทฤษฎีที่เกี่ยวข้องซึ่งทำให้เกิดความประทับใจ รวมไปถึงในระหว่างที่เรียนระดับปริญญาตรีที่ University of Rochester ที่ได้อ่านหนังสือฟิสิกส์ของ Richard Feynman ซึ่งทำให้เขารู้สึกประทับใจฟิสิกส์มาก Steven Chu สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาโทและเอกที่ University of California Berkeley ในปี ค.ศ. 1978 เขาได้เข้าทำงานที่ Bell Laboratories เน้นวิจัยทางด้านสเปกโตรสโคปี และรังสีเอ็กซ์ ปี ค.ศ. 1983 ได้เป็นหัวหน้าของแผนกวิจัยทางควอนตัมอิเล็กทรอนิกส์ และได้มีโอกาสพูดคุยกับ Arthur Ashkin ที่สนใจการจับอะตอมด้วยแสง ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นให้เขาหันมาสนใจงานวิจัยด้านนี้ ปี ค.ศ. 1987 เข้าทำงานเป็นศาสตราจารย์ที่ Stanford University แทน Theodor Hänsch ที่ย้ายไปเป็นผู้อำนวยการของ Max Planck Institute for Quantum Optics ที่เยอรมัน ช่วงนี้เองที่เขาเริ่มสนใจฟิสิกส์กับพอลิเมอร์และชีววิทยา โดยได้นำแสงไปจับโมเลกุลของดีเอนเอ

ประวัติย่อ : Claude Cohen-Tannoud

Claude Cohen-Tannoudji เกิดเมื่อวันที่ 1 เมษายน ค.ศ. 1933 ในแอลจีเรียในครอบครัวที่ส่งเสริมเรื่องการเรียนและการแลกเปลี่ยนความรู้กับผู้อื่น ในปี ค.ศ. 1953 ได้ย้ายไปที่กรุงปารีสเพื่อเข้าศึกษาที่ Ecole Normale Supérieure และเริ่มสนใจคณิตศาสตร์จากการบรรยายของ Alfred Kastler ในปี ค.ศ. 1955 ได้เข้าร่วมกับทีมวิจัยของ Alfred Kastler และได้เข้าฟังการบรรยายทางฟิสิกส์ทุกสัปดาห์ หลังจากจบการศึกษาได้เข้าเกณฑ์ทหารเป็นเวลา 28 เดือน จากนั้นจึงเข้าศึกษาต่อระดับปริญญาโทและเอกภายใต้การทำวิจัยกับ Alfred Kastler และ Jean Brossel เขาจบการศึกษาในปี ค.ศ. 1962 และเข้าทำงานที่ University of Paris ในปี ค.ศ. 1973 ได้ดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์ที่ Collége de France และในปี ค.ศ. 1984 ได้ตั้งกลุ่มวิจัยทางด้าน Laser cooling and trapping ขึ้น

ประวัติย่อ : William D. Phillips

William D. Phillips เกิดวันที่ 5 พฤศจิกายน ค.ศ. 1948 ในมลรัฐเพนซิลวาเนีย สหรัฐฯ ในครอบครัวที่สนับสนุนในเรื่องการศึกษา พอเริ่มอ่านหนังสือได้ด้วยตัวเองก็เดินเข้าห้องสมุดบ่อยๆ และเป็นส่วนที่เสริมให้เขาสนใจวิทยาศาสตร์มากขึ้น เขามีกล้องไมโครสโคปไว้ใช้เองที่บ้านทั้งยังสนใจกีฬาอย่างเบสบอล การขี่จักรยาน และว่ายน้ำ William D. Phillips เข้ารับการศึกษาระดับปริญญาตรีที่ Juniata College และความสนใจในวิชาฟิสิกส์ก็มีมากขึ้นจากการที่อาจารย์ได้นำวีดีโอการบรรยายฟิสิกส์ของ Richard Feynman มาให้ดู

ระหว่างที่เรียนอยู่ชั้นปีที่ 1 หัวหน้าภาควิชาฟิสิกส์ (ในขณะนั้น) ยังได้ให้โอกาสเขาเข้าทำการทดลองในหลักสูตรสำหรับนักศึกษาชั้นปีที่ 3 และหลังจากนั้นก็ได้มีโอกาสทำวิจัยร่วมกับหัวหน้าภาควิชาด้วย William D. Phillips เข้าศึกษาต่อระดับปริญญาโทและเอกที่ Massachusettes Institute of Technology และจบการศึกษาในปี ค.ศ. 1976 เขาเริ่มต้นทำงานที่ National Institute of Standards and Technology ในปี ค.ศ. 1978 โดยรับผิดชอบงานวิจัยที่เกี่ยวกับการวัดโปรตอนและแบ่งเวลามาทำงานวิจัยเกี่ยวกับการทำให้อะตอมเย็นลงด้วยเลเซอร์

แหล่งข้อมูล

G. Ekspong Ed., Nobel Lectures in Physics 1996-2000, World Scientific Publishing, January 2003.
https://nobelprize.org , accessed Feb 2019.
https://en.wikipedia.org , accessed Feb 2019.
ศรัณย์ สัมฤทธิ์เดชขจร, โฟโทนิกส์ มหัศจรรย์แห่งแสง, นานมีบุ๊คพับลิเคชัน, กรุงเทพฯ, กุมภาพันธ์ 2549.

ข่าวสาร

แหล่งข้อมูล

บทความที่เกี่ยวข้อง