<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: 27,407 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

สารตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิวิกฤติสูงนี้มีความประหลาดที่ว่า วัสดุนี้จะเป็นฉนวนไฟฟ้าหรือไม่ก็นำไฟฟ้าได้น้อยที่อุณหภูมิห้อง แต่ถ้าลดอุณหภูมิลงจนต่ำกว่าอุณหภูมิค่าหนึ่งที่เรียกว่าอุณหภูมิวิกฤติ Tc (ปัจจุบันได้มีการสังเคราะห์วัสดุที่มีค่า Tc สูงสุดได้ประมาณ 160 K หรือ -120 ˚C) วัสดุนี้ก็จะสามารถนำไฟฟ้าอย่างยิ่งยวด คือไม่มีการสูญเสียพลังงาน ถึงแม้ว่า Tc ของสารตัวนำยิ่งยวดในปัจจุบันยังค่อนข้างต่ำและไม่เหมาะสมกับการประยุกต์ใช้ในชีวิตประจำวัน สารตัวนำยิ่งยวดถูกนำไปใช้เฉพาะงานเท่านั้น เช่น เทคนิคการถ่ายภาพแบบ magnetic resonance imaging (MRI) ซึ่งใช้ในการแพทย์สำหรับการถ่ายอวัยวะภายในของผู้ป่วย เช่น ภาพของสมอง ซึ่งเทคนิคนี้มีความปลอดภัยมากกว่าเทคนิคอื่นๆเช่น การถ่ายภาพโดยรังสีเอกซ์ หรือ การประยุกต์ใช้สารตัวนำยิ่งยวดสำหรับการสื่อสารแบบไร้สายของโทรศัพท์มือถือ*** ซึ่งนำมาใช้เป็นส่วนประกอบสำคัญของเครื่องกรองสัญญาณที่ศูนย์กระจายสัญญาณ ทำให้ขอบเขตของการใช้สายกว้างขึ้นหรือมีจำนวนผู้ใช้สายได้เพิ่มขึ้น ปัญหาในการโทรเข้าออกไม่ติดในช่วงที่มีผู้ใช้สายจำนวนมากเกินก็จะเบาบางลง ซึ่งก็อาจจะเป็นประโยชน์ในเหตุการณ์ฉุกเฉิน อย่างในเหตุการณ์คลื่นยักษ์สึนามิ (tsunami) ที่มีคนจำนวนมากไม่สามารถใช้โทรศัพท์มือถือได้





รูปที่ 2. (ซ้าย) การทดลองหาหลุมพลังงาน(energy gap) แบบ d-wave โดยใช้เทคนิกโฟโตอิมิชชัน, (ขวาล่าง) แผนภาพของการจับคู่ของอิเล็กตรอน (Cooper pair), และ (ขวาบน)โครงสร้างทางอิเล็กทรอนิก (Fermi surface) ของสารตัวนำยิ่งยวดประเภท high-Tc



ในด้านการวิจัย สารตัวนำยิ่งยวดนั้นสามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภทตามโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ คือ BCS superconductor จะเป็นสารโลหะบริสุทธิ์หรือโลหะผสม และ อย่างที่สองคือ high-Tc superconductor ซึ่งส่วนใหญ่เป็นสารประกอบของสนิมทองแดง (copper oxide) สารตัวนำยิ่งยวดประเภท BCS (Tc สูงสุดประมาณ 40 K หรือ -233˚C) นั้นจะมาค่า Tc ต่ำกว่า สารตัวนำยิ่งยวดประเภท high-Tc มาก แต่ความเข้าใจในเชิงทฤษฎีของคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ จะสมบูรณ์กว่ามากเนื่องจากถูกค้นพบมาก่อนประมาณ 70ปี การเกิดการนำไฟฟ้ายิ่งยวดของสารตัวนำยิ่งยวดประเภท BCS นั้น เกิดจากการที่ อิเล็กตรอนจับกันเป็นคู่ (Cooper pair) โดยการช่วยจากการสั่นของอะตอมหรือphonon ที่สร้างหลุมพลังงานช่วยดึงให้อิเล็กตรอนมาจับคู่กัน อิเล็กตรอนที่จับกันเป็นคู่นั้นสามารถไหลไปมาโดยไม่มีแรงเสียดทาน (superfluidity) เป็นที่มาของการนำไฟฟ้ายิ่งยวด การเปลี่ยนไอโซโทป (isotope) ของธาตุหรือค่าของโหมดของโฟนอน (phonon mode) ที่ทำให้อิเล็กตรอนมาจับคู่กันง่ายขึ้นก็จะทำให้ค่า Tc สูงขึ้น จากเข้าใจเหล่านี้ Tc สารตัวนำยิ่งยวดประเภท BCS ที่มีค่าสูงขึ้นก็ถูกค้นพบมากมายจาก Tc = 4K ของปรอท จนถึง 40K ของ MgB2 แต่สำหรับในสารตัวนำยิ่งยวดประเภท high-Tc การเกิดการนำไฟฟ้ายิ่งยวดนั้นยังไม่ทราบที่มา อะไรคือสิ่งที่ช่วยให้อิเล็กตรอนมาจับคู่กัน? การเปลี่ยนชนิดisotopeของอะตอมไม่ได้ช่วยในการเพิ่มค่า Tc (หรือไม่ก็มีผลน้อยมาก) อย่างไรก็ตาม การสั่นของอะตอมหรือphononก็อาจจะยังมีบทบาทสำคัญในการเกิดการนำไฟฟ้ายิ่งยวด แต่อาจจะมีหลักการที่แตกต่างไปและซับซ้อนมากขึ้น เทคนิคโฟโตอิมิชชันแบบแยกแยะเชิงมุม (angle-resolved photoelectron spectroscopy, ARPES) ก็เป็นประโยชน์ที่ช่วยในการสังเกตุความแตกต่างของโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุก่อนและหลังการเกิด สภาพการนำไฟฟ้ายิ่งยวด ช่วยในการตอบปัญหา เช่น สภาพของหลุมพลังงานช่วยดึงให้อิเล็กตรอนมาจับคู่กันแบบ d-wave ซึ่งแตกต่างจากแบบ s-wave ของสารตัวนำยิ่งยวดประเภท BCS และ สภาพของโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ที่มีการบิดเบี้ยวซึ่งอาจจะเกิดจากอันตรกิริยาระหว่างโฟนอนกับอิเล็กตรอน และเป็นกุญแจสำคัญของการเกิดการนำไฟฟ้ายิ่งยวด (ดังรูปที่ 2) เทคนิคโฟโตอิมิชชันนั้นก็ยังมีการพัฒนาเพื่อมองและสังเกตได้ละเอียดมากขึ้นเพื่อการแก้ปัญหานี้ ในอนาคตหากมนุษย์มีความเข้าใจและสามารถควบคุมหรือกำหนดการเกิดปรากฏการณ์การนำไฟฟ้าอย่างยิ่งยวดของวัสดุที่อุณหภูมิให้ใกล้อุณหภูมิห้องมากขึ้น การประยุกต์ของสารตัวนำยิ่งยวดก็จะมีความหลากหลายและประชาชนทั่วไปสามารถสัมผัสได้อีกมากมาย


งานวิจัยสารตัวนำยิ่งยวดเป็นเพียงตัวอย่างหนึ่งของการใช้ประโยชน์เทคนิคโฟโตอิมิชชัน และเป็นงานวิจัยที่ต้องอาศัยระบบโฟโตอิมิชชันที่ต้องอาศัยเครื่องมือที่ซับซ้อน ซึ่งในโลกนี้มีระบบโฟโตอิมิชชันในลักษณะดังกล่าวเพียงไม่กี่ระบบและระบบดังกล่าวมักจะติดตั้งอยู่ที่ห้องปฏิบัติการวิจัยแสงซินโครตรอน แต่อย่างไรก็ตาม มีงานวิจัยและการตรวจวิเคราะห์วัสดุอีกมากมายที่สามารถทำได้โดยใช้ระบบโฟโตอิมิชชันในห้องปฏิบัติการทั่วไป ซึ่งเป็นที่รู้จักในชื่อของเทคนิค XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) และ UPS (ultraviolet photoelectron spectroscopy)





รูปที่ 3. เครื่องโฟโตอิมิชชัน (ขวาล่าง) โดยใช้แสงซินโครตรอนติดตั้ง ณ ศูนย์ปฎิบัติการวิจัยเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนแห่งชาติ จังหวัดนครราชสีมา



สำหรับประเทศไทยนั้นก็เป็นที่น่ายินดีที่ ศูนย์ปฎิบัติการวิจัยเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนแห่งชาติ จังหวัดนครราชสีมา ได้มีการพัฒนาเพื่อนำแสงซินโครตรอนไปใช้ในเทคนิคโฟโตอิมิชชันสำหรับงานวิจัยด้านวัสดุศาสตร์ (รูปที่ 3) ซึ่งเป็นงานทางด้านกาศึกษาโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุ และงานตรวจวิเคราะห์เชิงเคมี อย่างเช่น การผุกร่อนของโลหะ การพัฒนาสารเร่งปฏิกิริยาสำหรับการกำจัดก๊าซพิษ การพัฒนาแผ่นฟิล์มบางแม่เหล็กและสารกึ่งตัวนำที่ใช้ในอุตสาหกรรม ผู้สนใจสามารถหาข้อมูลเพิ่มจาก http://www.nsrc.or.th


และนั้นก็คือภาพคร่าวๆของการทำงานและประโยชน์ของเทคนิคโฟโตอิมิชชัน ที่ใช้หลักการพื้นฐานที่ไอน์สไตน์ได้อธิบาย ในการใช้เทคนิคนี้เพื่องานวิจัยเพื่อหาสิ่งแปลกใหม่นั้นน่าตื่นเต้นและรอคอยการค้นหา ใครจะรู้ว่าในปีนี้อาจจะมีการค้นพบที่ยิ่งใหญ่ เหมือน 100 ปีที่แล้วก็เป็นได้



Reference:


1. Angle-resolved photoemission studies of the cuprate superconductors, Andrea Damascelli, et al. Reviews of Modern Physics vol. 75 No.2 (2003)


2. Photoelectron Spectroscopy, Hufner (Springer, New York 2003)


3. http://arpes.stanford.edu



*ในปีนี้ได้มีการตีพิมพ์บทความ 3 เรื่องที่มีชื่อเสียงอย่างมากในฟิสิกส์ ซึ่งได้แก่ทฤษฎีสัมพัฎธภาพ, ทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบบราวน์เนี่ยน, และทฤษฎีในการอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก


**ในรายละเอียดสามารถอ่านเพิ่มเติมได้จากหนังสืออ้างอิง


***ได้มีการใช้ในแล้วอย่างเช่น ในรัฐ California, USA





เกี่ยวกับผู้เขียน

คุณ วรวัฒน์ มีวาสนา กำลังศึกษาปริญญาเอก สาขาฟิสิกส์ ที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด ประเทศสหรัฐอเมริกา เคยเป็นตัวแทนประเทศไทยไปแข่งขันวิชาฟิสิกส์โอลิมปิก ที่ประเทศแคนนาดา ดร. ประยูร ส่งสิริฤทธิกุล ท่านเป็น รักษาการหัวหน้าฝ่ายการประยุกต์แสงซินโครตรอน ศูนย์ปฏิบัติการวิจัยเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนแห่งชาติ และ อาจารย์ประจำ สาขาวิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี

---

บทความอื่น

บทความแนะนำ

Blog แนะนำ

Hot Links

คลังข้อสอบ | ข่าววิชาการ
เล่นกล/เกม | อ่านนิยาย
ข่าวทุนการศึกษา | ลิงค์

ขอบคุณผู้สนับสนุน