<script language="JavaScript" src="http://www.vcharkarn.com/javafeed/article/298" type="text/javascript"></script>

100 ปี ทฤษฎีโฟโตอิเล็กทริกของไอน์สไตน์ และ การประยุกต์ใช้ในงานวิจัยสารตัวนำยิ่งยวด ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกผลงานที่ทำให้ไอน์สไตน์ได้รับรางวัลโนเบล เป็นหลักพื้นฐานในการอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆอีกมากในทฤษฎีคอนตัม และยังเป็นหลักการของเทคนิคโฟโตอิมิชชัน ซึ่งเป็นเทคนิคเดียวที่สามารถวัดโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของสสารได้โดยตรง ผู้เขียน: วรวัฒน์ มีวาสนา และ ดร. ประยูร ส่งสิริฤทธิกุล ชมแล้ว: 26,306 ครั้ง post ครั้งแรก: Thu 7 July 2005, 5:07 pm ปรับปรุงล่าสุด: Thu 7 July 2005, 5:07 pm อยู่ในส่วน: ควอนตัม, ฟิสิกส์

วรวัฒน์ มีวาสนา¹ และ ดร. ประยูร ส่งสิริฤทธิกุล<sup>2

1</sup>นักศึกษาปริญญาเอก สาขาฟิสิกส์
มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด ประเทศสหรัฐอเมริกา

²ศูนย์ปฏิบัติการวิจัยเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนแห่งชาติ
อาจารย์ประจำสาขาวิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี

สหประชาชาติได้ประกาศให้ปี พ.ศ. 2548 นี้เป็นปี The World Year of Physics เพื่อฉลองครบรอบ 100 ปีของผลงานของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein)




ซึ่งหนึ่งในผลงานของไอน์สไตน์ คือการค้นพบทฤษฎีอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (photoelectric effect) ในปี ค.ศ. 1905* ซึ่งเป็นผลงานที่ทำให้ไอน์สไตน์ได้รับรางวัลโนเบล แนวความคิดของทฤษฎีนี้เป็นหลักพื้นฐาน ในการอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆอีกมากในทฤษฎีคอนตัม (quantum theory) และยังเป็นหลักการของเทคนิคการวัดที่มีประโยชน์ในการงานวิจัยและตรวจวิเคราะห์สสาร เทคนิควัดดังกล่าวคือเทคนิคโฟโตอิมิชชัน (photoemission หรือ photoelectron spectroscopy) เทคนิคโฟโตอิมิชชัน เป็นเทคนิคเดียวที่สามารถวัดโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ (electronic structure) ของสสารได้โดยตรง โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของสสารเป็นตัวกำหนดพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในสสาร หรือเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติต่างๆของสาร เช่นการนำไฟฟ้า ความเป็นแม่เหล็ก เป็นต้น คุณสมบัติของวัสดุที่น่าสนใจ และเป็นสิ่งที่น่าฉงนซึ่งกำหนดโดยพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในสสารนั้นคือการนำไฟฟ้าอย่างยิ่งยวด




หากมนุษย์มีความเข้าใจเกี่ยวกับสภาพความเป็นตัวนำยิ่งยวดและหากสามารถสังเคราะห์สารตัวนำยิ่งยวดสำหรับการใช้งานในภาวะปกติ เทคโนโลยีสารหลายอย่างจะเปลี่ยนไปจากที่มีอยู่ในปัจจุบันเป็นอย่างมาก เทคนิคโฟโตอิมิชชันเป็นเทคนิคหนึ่งที่อาจจะนำไปสู่การไขปัญหาและข้อข้องใจเกี่ยวกับสารตัวนำยิ่งยวด (superconductor) บทความนี้นำเสนอพื้นฐานของเทคนิคโฟโตอิมิชชันและการนำเทคนิคดังกล่าวในการศึกษาวิจัยสารตัวนำยิ่งยวดที่น่าสนใจ


ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกถูกค้นพบโดยเฮนริค เฮิร์ตซ์ (Heinrich Hertz) ในปี ค.ศ. 1887 ซึ่งเขาพบว่า เมื่อเขาฉายแสงบนโลหะ เขาจะพบว่าจะมีกระแสไฟฟ้าอ่อนๆไหล ก็ต่อเมื่อ แสงนั้นมีพลังงานหรือความถี่สูงพอ (ในช่วง UVหรือสูงกว่า) การปรับความเข้มของแสงให้สูงขึ้นอย่างเดียวจะไม่มีผลต่อการไหลของกระแสไฟฟ้าถ้าความถี่ของแสงนั้นต่ำเกิน ปรากฏการณ์นี้ไม่เป็นที่เข้าใจ จนในปี ค.ศ. 1905 ซึ่งไอน์สไตน์ได้สร้างทฤษฎีขึ้นมาเพื่ออธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกนี้




ทฤษฎีในการอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกของไอน์สไตน์นั้นมีว่า แสงนั้นมีคุณสมบัติเหมือนกับ ก้อนอนุภาคชื่อว่า โฟตอน (photon) ซึ่งมีพลังงานแปรผันกับความถี่ และสามารถเกิดอันตรกิริยากับอนุภาคอื่นๆได้เช่นอิเล็กตรอน แนวความคิดอันนี้เป็นความเข้าใจใหม่ที่แตกต่างจากความเข้าใจเก่าที่ว่า แสงนั้นมีคุณสมบัติเป็นคลื่นเท่านั้น




สำหรับปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกนั้นก็คือการที่แสงหรือโฟตอนมีอันตรกิริยากับอิเล็กตรอนในวัสดุที่ถูกฉายแสง และถ้าโฟตอนมีพลังงานมากพอก็จะทำในอิเล็กตรอนหลุดจากวัสดุนั้น ซึ่งเป็นที่มาของการไหลของกระแสไฟฟ้าที่เฮิร์ตซ์ได้สังเกตพบ ปรากฏการณ์ดังกล่าวอาจจะเปรียบเทียบอย่างคร่าวๆได้ดังนี้**




สมมุติว่ามีถัง (แทนวัสดุที่ถูกฉายแสง) ที่บรรจุลูกปิงปองอยู่หลายลูก (แทนอิเล็กตรอน) ซึ่งกระเด้งไปมาอยู่ในถัง จากนั้นเราเอาลูกเทนนิส (แทนโฟตอนหรือแสง) ปาใส่ลูกปิงปองในถัง ถ้าหากแรงที่ปาเพียงพอ (เปรียบเหมือนแสงมีพลังงานมากพอ) ลูกปิงปองก็จะสามารถกระเด็นออกจากถังได้ ซึ่งเปรียบเสมือนการกระเด็นออกมาของอิเล็กตรอนหลังจากเกิดอันตรกิริยากับโฟตอนในปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก ในการที่เราใช้วัสดุแตกต่างกันไปก็เปรียบเหมือนถังที่แตกต่างกัน ความแตกต่างนั้นก็คือ ความลึกของถัง, จำนวนลูกปิงปอง, ความเร็ว (ทิศทางและอัตราเร็ว) ของการกระเด้งของลูกปิงปอง ดังนั้นเมื่อมีการปาลูกเทนนิสเข้าไปในถังแล้วเกิดการกระเด็นของลูกปิงปองออกมาจากถังนั้น ลูกปิงปองที่กระเด็นออกมาก็จะมีความเร็วที่แตกต่างกันออกไป ปัจจัยหลักที่ทำให้ความเร็วของลูกปิงปองที่หลุดออกมาจากถังแตกต่างกันคือ ความแรงของการปาหรือความเร็วของลูกเทนนิสก่อนชน ความเร็วของปิงปองก่อนชน และความลึกของตำแหน่งที่มีการชนกัน

รูปที่ 1. แผนภาพแสดงของเครื่องโฟโตอิมิชชัน ที่มีการฉายแสงลงบนวัสดุ

(ขวามือ คือ โครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกของทองแดง) และมีการวิเคราะห์อิเล็กตรอนที่หลุดออกมา

สำหรับเทคนิคโฟโตอิมิชชัน นั้นก็คือเทคนิคที่วิเคราะห์สมบัติต่างๆ เช่น พลังงาน และ ทิศทางการเคลื่อนที่ ของอิเล็กตรอนที่หลุดออกจากวัสดุหลังการเกิดอันตรกิริยากับโฟตอนหรือแสงที่ฉายเข้าไป แผนผังดังรูปที่ 1 ทั้งนี้ก็หาว่าสภาพของอิเล็กตรอนในวัสดุก่อนการเกิดอันตรกิริยากับโฟตอนเป็นอย่างไรเพื่อเข้าใจคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุนั้นๆ เทคนิคโฟโตอิมิชชันนั้นได้เริ่มใช้มาตั้งแต่ช่วงหลายสิบปี เป็นที่ใช้กันอย่างมากในงานวิเคราะห์เชิงเคมี และการศึกษาโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของสสาร และได้มีนักวิทยาศาสตร์คือ Kai Siegbahn (Uppsala University, Sweden) ได้รับรางวัลโนเบลในการพัฒนาเทคนิคดังกล่าว ในปี ค.ศ.1981




ปัจจุบันเครื่องมือที่ใช้ในงานทางด้านโฟโตอิมิชชันโดยเฉพาะอย่างยิ่งคือสเปกโทรมิเตอร์ และแหล่งกำเนิดแสงซินโครตรอน ตลอดจนเทคโนโลยีทางด้านสุญญากาศและเทคโนโลยีการหล่อเย็นได้ถูกพัฒนาเป็นอย่างมาก ซึ่งส่งผลการพัฒนาการของเทคนิคโฟโตอิมิชชันเป็นอย่างมาก การนำแสงซินโครตรอนมาใช้ในเทคนิคโฟโตอิมิชชันเป็นการขยายขอบเขตงานวิจัยที่ต้องอาศัยเทคนิคโฟโตอิมิชชัน ทั้งนี้เนื่องจากแสงซินโครตรอนมีคุณสมบัติเฉพาะที่เด่นกว่าแสงที่ได้จากแหล่งกำเนิดอื่น เช่นความสว่างจ้าที่สูง การมีสเปกตรัมที่ต่อเนื่องและครอบคลุมช่วงพลังงานที่กว้าง การมีคุณสมบัติโพลาไรเซชัน เป็นต้น ตัวอย่างของการใช้คุณสมบัติที่เด่นของแสงซินโครตรอน เช่น ความสว่างจ้าที่สูงนี้ทำให้สามารถศึกษาอันตรกิริยาที่มีโอกาสเกิดขึ้นต่ำและสามารถทำการวัดที่มีความสามารถแยกแยะที่สูง ความต่อเนื่องของสเปกตรัมเปิดโอกาสให้มีการเลือกพลังงานของโฟตอนที่จะใช้งาน เป็นต้น พัฒนาการของเทคโนโลยีสุญญากาศทำให้การวัดทางด้านโฟโตอิมิชชันทำได้ในสภาวะที่อยู่ในย่านความดัน 10-10 torr หรือต่ำกว่า ซึ่งเป็นการเลี่ยงปัญหาเกี่ยวกับการปนเปื้อนบนผิวของวัสดุที่ทำการวัด เนื่องจากว่าข้อมูลที่ได้จากเทคนิคโฟโตอิมิชชันเป็นข้อมูลของอะตอมที่อยู่บริเวณผิวและใต้ผิวที่มีความลึกไม่เกิน 3 นาเมตรโดยประมาณ (ระดับความลึกที่วัดได้ขึ้นอยู่กับพลังงานของโฟตอนและธาตุที่เป็นองค์ประกอบของวัสดุที่ศึกษา) และเป็นที่แน่นอนว่ามีหลายปรากฏการณ์ที่น่าสนใจในวัสดุเกิดขึ้นที่อุณหภูมิเข้าใกล้จุดเดือดของฮีเลียม (ประมาณ -269˚C หรือ 4K)




พัฒนาการของเทคโนโลยีการหล่อเย็นนี้ได้เอื้อต่อการศึกษาวัสดุที่อุณหภูมิต่ำในระดับดังกล่าว และอุปกรณ์ที่สำคัญของเทคนิคโฟโตอิมิชชันคืออุปกรณ์วิเคราะห์พลังงานของอิเล็กตรอน (electron energy analyzer) ซึ่งได้มีการพัฒนาเกือบถึงจุดขีดสุดในเรื่องความแม่นยำและความละเอียดในการวัด ซึ่งสามารถแยกแยะอิเล็กตรอนที่มีพลังงานต่างกันเพียงเล็กน้อยในเรือนประมาณ 1 meV และยังสามารถแยกแยะอิเล็กตรอนที่ปลดปล่อยออกมาจากวัสดุในทิศทางต่างกันในเรือน 0.2˚ ข้อมูลที่ได้จากากรวัดโดยใช้เครื่องมือที่มีประสิทธิสูงดังกล่าวทำให้การทำความเข้าใจเกี่ยวพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในวัสดุมีความถูกต้องสูงเพิ่มขึ้น การมีเครื่องมือวัดที่มีประสิทธิภาพสงดังกล่าวยังเป็นการเปิดโอกาสที่จะศึกษาวัสดุที่ยังต้องการความรู้และความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับพฤติกรรมของอิเล็กตรอนที่น่าสนใจที่กำหนดคุณสมบัติของวัสดุอย่างน่าฉงน เช่นคุณบัติการนำไฟฟ้าอย่างยิ่งยวดของสารตัวนำยิ่งยวดของสารกึ่งตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิวิกฤติสูง (high-Tc superconductor)

---

บทความอื่น

บทความแนะนำ

Blog แนะนำ

Hot Links

คลังข้อสอบ | ข่าววิชาการ
เล่นกล/เกม | อ่านนิยาย
ข่าวทุนการศึกษา | ลิงค์

ขอบคุณผู้สนับสนุน