อดีต ปัจจุบัน และอนาคตของห้องวิจัยทัศนศาสตร์เชิงอะตอมควอนตัม

15 กุมภาพันธ์ 2559

 

          ภายใต้ขอบเขตของวิทยาศาสตร์สาขาอะตอม-โมเลกุล-แสง เลเซอร์มีบทบาทอย่างสำคัญในการใช้เป็นเครื่องมือเพื่อบังคับสถานะ และควบคุมอันตรกิริยาระหว่างวัตถุเชิงควอนตัม ความมุ่งมั่นที่จะให้ได้มาซึ่งผลลัพธ์ที่ต้องการในโลกควอนตัมและการใช้ประโยชน์ปรากฏการณ์เชิงควอนตัม โดยเฉพาะอย่ายิ่งในงานด้านวิทยาการสารสนเทศเชิงควอนตัม จะบรรลุเป้าหมายไม่ได้เลย หากขาดเทคโนโลยีการทำความเย็นอะตอมด้วยแสงเลเซอร์ ซึ่งทำหน้าที่ในการเพิ่มระยะเวลาความสัมพันธ์เกี่ยวเนื่องกันเชิงอะตอม ภาพที่ 1  (คลิ๊กที่นี่เพื่อดูภาพ) ได้แสดงให้เห็นถึงบทบาทอันสำคัญของเลเซอร์ กับความพยายามของมนุษย์ที่จะทำความเย็นอะตอมในห้องปฏิบัติการ

          ตลอดระยะเวลา 5 ปีที่ผ่านมา ห้องวิจัยทัศนศาสตร์เชิงอะตอมควอนตัม (ซึ่งสนับสนุนโดยศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์) ได้ดำเนินการตามกลยุทธ์ที่คาดหวังว่าจะช่วยให้การทำวิจัยในระดับรากฐานด้วยทักษะขั้นสูงดำรงอยู่ได้ในประเทศไทย ตัวอย่างเช่น การทำให้เงินทุนวิจัยที่ได้รับมามีมูลค่ามากกว่ามูลค่าจริง การเข้าสู่กลุ่มวิจัยระดับมาตรฐานสากล การสร้างความร่วมมือวิจัยกับสถาบันวิจัยชั้นนำในต่างประเทศผ่านนักศึกษาฝึกงาน การสร้างผู้ประกอบการในประเทศที่ใช้ฐานความรู้และเทคนิคด้านฟิสิกส์ของอะตอม และท้ายที่สุดซึ่งมีความสำคัญเป็นอย่างมากก็คือ การที่ห้องวิจัยฯได้ใช้เวลาส่วนใหญ่ไปในการพัฒนาเทคโนโลยีวิจัยของตนเองสำหรับงานทดลองสาขาฟิสิกส์ของอะตอม การออกแบบและสร้างอุปกรณ์วิจัยที่จำเป็นต่อการวิจัยขึ้นด้วยตนเอง  ทำให้เกิดทักษะเชิงวิศวกรรมด้านต่างๆสั่งสมเพิ่มพูนขึ้นเป็นอย่างมาก  ซึ่งนอกจากจะช่วยลดต้นทุนในการติดตั้งห้องวิจัยลงอย่างน้อย 40% แล้ว  ยังได้ทำให้ห้องวิจัยทัศนศาสตร์เชิงอะตอมควอนตัมของไทยมีความพิเศษและแตกต่างจากห้องวิจัยในสาขาเดียวกันอื่นๆทั่วโลก ปัจจุบันนี้มีอุปกรณ์วิจัยที่เราพัฒนาสร้างขึ้นเอง 14 รายการที่พูดได้ว่ามีคุณภาพ “ดีพอ” สองชิ้นในจำนวนนี้ได้รับการออกแบบรูปลักษณ์ใหม่และจะส่งเข้าสู่สายการผลิตเชิงพาณิชย์ในไม่ช้า

          เมื่อวันที่ 21 ธันวาคม พ.ศ. 2558 ห้องวิจัยฯได้สาธิตการควบคุมอุปกรณ์วิจัยที่ประดิษฐ์เองข้างต้นทั้งหมด และทดสอบการทำงานร่วมกันที่สอดคล้องกับสเกลเวลาในระดับอะตอม การวิเคราะห์อย่างเต็มรูปแบบได้เป็นครั้งแรกในวันดังกล่าว โดยใช้กลุ่มก๊าซอะตอมเย็นที่สร้างขึ้น  เป็นหลักฐานของความสำเร็จในการทำความเย็นต่ำกว่าขีดจำกัดดอปเพลอร์ (อุณหภูมิประมาณ 150 ไมโครเคลวิน ที่สถานะกระตุ้นเส้น D2 ของอะตอมรูบิเดียม-85) พร้อมกับยืนยันการบรรลุถึงขีดจำกัดการถอยกลับ (recoil-limit) ที่อุณหภูมิประมาณ 9 ไมโครเคลวิน อะตอมพลังงานต่ำกว่าขอบเขตนี้จะไม่สามารถทำความเย็นด้วยเลเซอร์ได้ และเรียกสภาวะดังกล่าวว่า “เย็นยิ่งยวด (ultra-cold)” ซึ่งถือว่าเป็นเหตุการณ์สำคัญลำดับที่หนึ่ง  (1st milestone) ความสามารถในการวัดปริมาณทางกายภาพของระบบควอนตัมพื้นฐานนี้ได้กำลังกรุยทางไปสู่ความก้าวหน้าสำคัญในลำดับที่สองและสาม (2nd และ 3rd milestones) นั่นคือ ระบบกักขังสยาม (SiAM Trap) และ การกักขังอะตอมเดี่ยว ตามลำดับ ซึ่งคาดว่าจะสำเร็จได้ภายในครึ่งแรกของปี พ.ศ. 2559

          เราหวังเป็นอย่างยิ่งว่า ความพากเพียรและการอุทิศตัวที่ได้ทุ่มเทไปในหลายปีที่ผ่านมาและหลังจากนี้ จะช่วยทำให้ความร่วมมืองานวิจัยในสาขาอะตอม-โมเลกุล-แสง ระหว่างนักฟิสิกส์ไทยกับนักวิจัยนานาชาติมีความเป็นปึกแผ่นขึ้น และส่งผลผลักดันประชาคมวิจัยของประเทศไทยไปสู่การจัดตั้งศูนย์เทคโนโลยีควอนตัมแห่งชาติในเร็ววัน ตารางลำดับเวลา (timeline) ในภาพที่ 2  (คลิ๊กที่นี่เพื่อดูภาพ) เป็นการสรุปผลการทำงานของเราตลอดระยะเวลาครึ่งทศวรรษที่ผ่านมา รวมถึงแผนงานในอนาคตอันใกล้ เพื่อสืบสานและธำรงคุณค่าของการทำงานวิจัยฟิสิกส์ระดับรากฐานด้วยทักษะขั้นสูงไว้ในประเทศไทย

 

ข้อเท็จจริงบางประการ:

          การกระตุ้นอะตอมรูบิเดียม-85 ที่มีมวลอะตอม 1.41 X 10-25 กิโลกรัม จากสถานะ F=3 ไป F’=4 ที่เส้นกระตุ้น D2 จะต้องการโฟตอน (photon) ความยาวคลื่น 780.241384 นาโนเมตร (ความถี่เคลื่อนไปทางสีแดง 8 MHz จากจุดยอดความถี่สั่นพ้องตามที่ใช้ในระบบกักขังทัศนศาสตร์เชิงแม่เหล็ก) โฟตอนนี้ให้โมเมนตัมถอยกลับ 8.5 x 10-28 กิโลกรัม.เมตร/วินาที ซึ่งเปลี่ยนความเร็วของอะตอมไป 6.03 X 10-3 เมตร/วินาที ในเวลาเฉลี่ย 2.6 X 10-8 วินาที ต่อมา อะตอมจะปลดปล่อยโฟตอนแบบเกิดขึ้นได้เองที่พลังงานโฟตอนต่างไปจากเดิมเล็กน้อยเนื่องจากการเลื่อนดอปเพลอร์ ก่อนที่อาจจะเกิดการดูดกลืนโฟตอนครั้งต่อไปในระยะเวลา 5.2 X 10-8 วินาที ความหน่วงเฉลี่ยต่อรอบอยู่ที่ 7.7 X 104 m/s2 ซึ่งมีค่า 7.8 x 103 เท่าของความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก อุปมาได้ว่าคนมวล 70 กิโลกรัมจะหนักเท่าๆกับเครื่องบินแอร์บัส A380 ขณะกำลังทะยานขึ้นจากพื้น การลดอุณหภูมิอะตอมรูบิเดียม-85 จากอุณหภูมิห้อง (20 oC) ไปสู่สถานะเกือบหยุดนิ่งใช้เวลาเพียงแค่ 4.43 X 10-3 วินาที

          ในห้องวิจัยทัศนศาสตร์เชิงอะตอมควอนตัม ก๊าซรูบิเดียมที่มีระยะทางอิสระเฉลี่ย 2.82 x105 เมตร สามารถสร้างได้ด้วยการลดความหนาแน่นอะตอมลงเหลือ 3.55 x 106 อะตอม/ลูกบาศก์เซนติเมตร ที่ความดันบรรยากาศระดับ 10-11 ทอรร์ จะให้ความรู้สึกเหมือนการนั่งบนดวงจันทร์โดยไม่ใส่ชุดนักบินอวกาศ ต่อเมื่ออะตอมแทบไม่ชนกันและอุณหภูมิเย็นยิ่งยวดเท่านั้น เราจึงสามารถบีบอัดรูบิเดียม-85 จำนวน 1010 อะตอม ลงในปริมาตร 10-2 ลูกบาศก์เซนติเมตร หรือ 10 ลูกบาศก์มิลลิเมตรได้ จำนวนอะตอมดังกล่าวนี้น้อยกว่าจำนวนดาวฤกษ์ที่สังเกตเห็นได้ทั้งหมดในดาราจักรทางช้างเผือกเพียงสิบเท่า การหยิบเอาหนึ่งอะตอมออกจาก 10 ล้านล้านอะตอม และถ่ายภาพมัน เป็นงานที่ต้องใช้ความเพียรพยายามอย่างสูง อย่างไรก็ดีสิ่งที่ทำให้ความบากบั่นคุ้มค่าคือการบังคับควบคุมอะตอมเดี่ยวที่ถูกกักขังนั้นให้ได้ต่างหาก

 

รายงานโดย

ดร. วรานนท์  อนุกูล

ห้องวิจัยทัศนศาสตร์เชิงอะตอมควอนตัม  ภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์

คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ จ. เชียงใหม่ 50200

E-mail : waranont@qaocmu.org