Blockdit Logo (Mobile)
อาจวรงค์ จันทมาศ
•
4 ต.ค. 2023 เวลา 08:51 • วิทยาศาสตร์ & เทคโนโลยี

อธิบายการทดลองระดับอัตโตวินาที รางวัลโนเบลสาขาฟีสิกส์ 2023

อธิบายการทดลองระดับอัตโตวินาที
รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์2023
#แบบเข้าใจง่ายๆ
(เรียบเรียงโดย สัมโมทิก สวิชญาน)
เมื่อวันที่ 3 ตุลาคมที่ผ่านมา The Royal Swedish Academy of Sciences ก็ได้ประกาศรายชื่อนักฟิสิกส์ที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ประจำปี 2023 ได้แก่ Pierre Agostini (ปีแยร์ อะกอสตินี), Ferenc Krausz (เฟเรนสต์ เคราส์) และ Anne L’Huillier (แอนน์ ลวิเยร์)
Ferenc Krausz (เฟเรนสต์ เคราส์), Anne L’Huillier (แอนน์ ลวิเยร์) และ Pierre Agostini (ปีแยร์ อะกอสตินี) ที่มา : nature.com
รางวัลรอบนี้เป็นเรื่องของการทดลอง ที่สามารถสร้าง “พัลส์” (pulse) หรือแสงที่กะพริบเป็นจังหวะๆ ได้สั้นระดับ “อัตโตวินาที” (attosecond) ซึ่งมีประโยชน์ในการเอามาใช้ศึกษา “การเคลื่อนไหว” ของอิเล็กตรอนในสสารได้
อัตโตวินาทีนี้สั้นขนาดไหน? ถ้าเขียนออกมาเป็นตัวเลข 1 อัตโตวินาทีก็คือ 0.000000000000000001 วินาที หรือ 1 ในล้านล้านล้านของวินาที
1
ลองนึกภาพว่าเราอยู่ในห้องมืดสนิทกับลูกแมววิ่งวุ่นหนึ่งตัว แล้วในห้องก็มีเพียงไฟกะพริบให้แสงสว่างเป็นช่วงๆ ถ้าไฟนี้กะพริบทุกหนึ่งนาที ทุกหนึ่งนาทีเราก็จะเห็นลูกแมวอยู่ตามที่ต่างๆ มั่วๆ ไปหมด เดาไม่ถูกว่ากะพริบอีกทีจะเห็นลูกแมวอยู่ตรงไหน แต่ถ้าไฟกะพริบถี่ทุกหนึ่งวินาที เราก็พอจะเห็นเส้นทางการเคลื่อนไหวเป็นเรื่องเป็นราวมากขึ้นละ ถ้าไฟกะพริบถี่ขึ้นไปอีก ก็จะยิ่งเห็นเส้นทางชัดขึ้น แถมวัดได้ว่าแมวเคลื่อนที่จากจุดหนึ่งไปอีกจุดหนึ่ง ใช้เวลากี่กะพริบ เป็นต้น
1
อิเล็กตรอนก็เหมือนลูกแมวตัวนี้ คือ มัน “เคลื่อนที่” เร็วมากๆ ถ้าเราอยากจะ “มองเห็น” พลวัตการเคลื่อนไหวของมันให้ได้ เราก็ต้องไปหาไฟกะพริบที่ถี่มากพอ ซึ่งจะมากพอ ก็ต้องเป็นระดับทุกๆ 1 ในล้านล้านล้านของวินาทีเลยทีเดียว
(จริงๆ พูดว่า “เคลื่อนที่” ก็ไม่ค่อยจะถูกนัก เพราะอิเล็กตรอนไม่ได้เป็นก้อนๆ วิ่งไปมาแบบมีตำแหน่งชัดเจนเหมือนลูกแมว แต่ก็พอเป็นการเปรียบเปรยให้นึกภาพออกได้)
หนึ่งในเรื่องน่าขนลุกของการใช้พัลส์ระดับอัตโตวินาทีไปส่องอิเล็กตรอนก็เช่น นักวิทยาศาสตร์ค้นพบแล้วว่า ปรากฏการณ์ที่อิเล็กตรอนหลุดออกจากสสารเนี่ย (photoelectric effect) มันไม่ได้แบบว่า แสงมาตกกระทบ แล้วอิเล็กตรอนก็หลุดออกมาทันทีทันใดนะ มันมีดีเลย์นิดนึง อย่างกรณีของอิเล็กตรอนอะตอมนีออน Krausz พบว่า อิเล็กตรอนที่อยู่ใน “ออร์บิทัล 2p” หลุดออกมาช้ากว่าที่อยู่ใน “ออร์บิทัล 2s” ถึง 21 อัตโตวินาทีโดยประมาณ
1
ปรากฏการณ์ที่อิเล็กตรอนหลุดออกจากสสารเนี่ย (photoelectric effect) ที่มา : wikipedia.org
ณ จุดนี้ ออร์บิทัลคืออะไรนั้นไม่สำคัญ ไว้ค่อยพูดถึงทีหลังก็ได้ แต่ที่น่าทึ่งมากคือ มนุษย์เราอยู่ในจุดที่เจาะลงไปสังเกตการณ์ได้ละเอียดขนาดนี้แล้ว เทคโนโลยีนี้จึงเป็นการเปิดประตูก้าวข้ามไปสู่โลกใหม่ โลกแห่งพลวัตของอิเล็กตรอน ที่เราจะเห็นจะจะกับตา ซึ่งต้องอาศัยการปรับเปลี่ยนกระบวนทัศน์เพื่อสร้างพัลส์แสงสั้นยวดยิ่งให้จงได้
การสร้างพัลส์ ทำได้ด้วยการนำแสงหลายๆ ความถี่ ที่เลือกมาอย่างเหมาะสม มาซ้อนกันให้ลงตัวเพื่อให้แทรกสอดกันจนเป็นมีช่วงมืดช่วงสว่างสลับกันถี่ๆ ได้ ยิ่งพัลส์สั้น ก็ยิ่งต้องการแสงความถี่สูงๆ แต่จะไปหาจากไหน?
ในช่วงทศวรรษที่ 1980 นักวิทยาศาสตร์ก็ไปค้นพบปรากฏการณ์ที่ก๊าซเฉื่อยสามารถช่วยเพิ่มความถี่แสงเลเซอร์ได้เป็นสิบๆ เท่า แต่จะนำมาใช้ประโยชน์ได้จริงๆ จังก็ต้องเข้าใจปรากฏการณ์นี้ในเชิงทฤษฎีก่อน ซึ่ง L’Huillier และคณะ คือผู้ที่มีส่วนสำคัญในจุดนี้
2
เมื่อเข้าใจทฤษฎีแล้ว ก็ถึงเวลาก่อร่างสร้างเครื่องไม้เครื่องมือ จะสร้างลำแสงอย่างไร จะกรองความถี่อย่างไร จะจับมาแทรกสอดกันอย่างไร ฯลฯ ทั้งหมดนี้มีรายละเอียดของการออกแบบที่ซับซ้อน กว่าจะได้พัลส์แสงระดับอัตโตวินาทีจริงๆ และก็มีกลุ่มวิจัยสองกลุ่มที่ทำได้สำเร็จในเวลาไล่เลี่ยกัน ก็คือกลุ่มวิจัยของ Agostini ในฝรั่งเศส (พัลส์กะพริบทุก 250 อัตโตวินาที) และกลุ่มวิจัยของ Krausz ในออสเตรีย (พัลส์กะพริบทุก 650 อัตโตวินาที)
เทคโนโลยีนี้จะมีศักยภาพในการนำไปประยุกต์ใช้กับอะไรได้บ้าง เตรียมตัวตื่นเต้นกันต่อไป ล่าสุด Krausz และคณะ นำมาใช้ตรวจหาองค์ประกอบเชิงโมเลกุลที่ผิดแปลกไปในตัวอย่างเลือด ซึ่งสื่อถึงการเป็นโรค แต่เป็นการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยที่ก่อนหน้านี้เราไม่มีเทคโนโลยีไปมองเห็นได้
นับเป็นงานวิจัยที่พามนุษย์เข้าสู่โลกเสี้ยวพริบตาอย่างแท้จริง
โฆษณา