อินเตอร์เฟียโรมิเตอร์อะตอมสนามใกล้แบบทาล์บอท-เลา

22 กรกฎาคม 2562

 

1. บทนำ

 

        อินเตอร์เฟียโรมิเตอร์ของอะตอมหรือคลื่นสสารสามารถใช้ในการวัดความแม่นยำสูงได้ด้วยการทดลองกับอิเล็กตรอน อะตอม และโมเลกุลขนาดเล็ก โดยเฉพาะการวัดแรงเฉื่อยทุกชนิด ตัวอย่างเช่นการแปรเปลี่ยนการหมุนของโลก ความเร่งเนื่องจากความโน้มถ่วงของโลก (g) ความแตกต่างของสนามโน้มถ่วง ความรู้เกี่ยวกับแรงเฉื่อยมีความสำคัญกับงานหลายสาขา หรือการประยุกต์ต่างๆ เช่นทางภูมิศาสตร์ ธรณีวิทยา ความแตกต่างของสนามโน้มถ่วงสามารถเกิดจากแผ่นดินไหว การเปลี่ยนแปลงทางภูมิศาสตร์ คลื่นสึนามิ รวมถึงการสำรวจทรัพยากรธรรมชาติเช่นน้ำมันดิบ เป็นต้น ในสาขาฟิสิกส์ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปสามารถวัดหรือทำความเข้าใจได้ดีขึ้นถ้าสามารถหาคลื่นความโน้มถ่วงได้ หรือการวัดค่าคงที่มูลฐานที่แม่นยำ เช่นค่าคงที่ของนิวตัน ค่าคงที่ fine structure นอกจากนั้นกลศาสตร์ควอนตัมของอินเตอร์เฟียโรมิเตอร์ของคลื่นสสารยังสามารถใช้ในงานประยุกต์อวกาศ โดยผ่านทางดาวเทียม และภารกิจทางอวกาศในอนาคตได้

 

       อินเตอร์เฟียรอมิเตอร์ของคลื่นสสารสามารถทดลองได้สองขอบเขตทั้งในพิสัยสนามใกล้ (near-field) และสนามไกล (far-field) โดยในงานวิจัยนี้จะทดลองวิจัยในขอบเขตของพิสัยสนามใกล้ซึ่งมีข้อดีคือทำให้ขนาดชุดทดลองมีขนาดเล็กกว่าพิสัยสนามไกล  รวมถึงวิธีสนามใกล้นี้จะมีความไว (sensitivity) ของเครื่องมือสูง

 

        โครงงานวิจัยอินเตอร์เฟียโรมิเตอร์อะตอมสนามใกล้แบบทาล์บอท-เลา ที่ได้รับการสนับสนุนจากศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์ระหว่างเดือนมีนาคม 2560 ถึงเดือนกุมภาพันธุ์ 2563 จะเป็นการรวม 2 เทคนิคเข้าด้วยกันคืออินเตอร์เฟียโรมิเตอร์ของคลื่นสสาร และอะตอมเย็น โดยเป้าหมายงานวิจัยของห้องปฏิบัติการทัศนศาสตร์ควอนตัม และนาโน ณ ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยบูรพา ในส่วนของผลงานจะทำการออกแบบและสร้างอินเตอร์เฟียโรมิเตอร์ของคลื่นสสารเป็นครั้งแรกในประเทศไทย โดยโครงการวิจัยจะอยู่บนพื้นฐานของจุดแข็งของอินเตอร์เฟียโรมิเตอร์ของคลื่นสสารซึ่งมีความไวต่อสิ่งรบกวนหรือสนามภายนอกดีกว่าอินเตอร์เฟียโรมิเตอร์ของแสงทั่วๆไป ดังนั้นจึงเกิดแนวคิดจะใช้อินเตอร์เฟียโรมิเตอร์ของคลื่นสสารในการวัดความเร่งเนื่องจากความโน้มถ่วงของโลกที่เรียกว่า กราวิมิเตอร์ (Gravimeter) โดยแนวคิดใหม่นี้จะอยู่บนพื้นฐานของทัศนศาสตร์สนามใกล้แทนที่สนามไกล ดังนั้นเป้าหมายต้องการสร้างกราวิมิเตอร์ที่ไม่ซับซ้อนและมีขนาดไม่ใหญ่กับประสิทธิภาพที่ดีและความแม่นยำสูงที่เป็นไปได้โดยมีเป้าหมายอยู่ที่  ในขั้นต้นนี้ โดยมีเงื่อนไขที่ใช้อะตอมเย็นเป็นแหล่งกำเนิดคลื่นสสาร ซึ่งความแม่นยำระดับนี้สามารถประยุกต์ใช้ในงานทางธรณีวิทยาได้ เทคโนโลยีที่สร้างขึ้นนี้จะสามารถเป็นเทคโนโลยีที่สำคัญที่ทำให้ประเทศไทยได้ผลประโยชน์ทั้งทางด้านเศรษฐกิจ และวิชาการ นอกจากนั้นในปี 2561 ทางห้องปฏิบัติการทัศนศาสตร์ควอนตัม และนาโน ได้ทำงานวิจัยในเรื่องวอร์เท็กซ์ของแสง (Optical vortex) [1] ซึ่งเป็นงานหนึ่งในสาขาที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2561 (optical tweezers) ซึ่งทางห้องปฏิบัติการมีแผนจะรวมวอร์เท็กซ์ของแสงกับอินเตอร์เฟียโรมิเตอร์ของคลื่นสสารของอะตอมเย็นเพื่อเพิ่มความแม่นยำของเซ็นเซอร์ควอนตัมที่สร้างขึ้นในอนาคตนั่นเอง

 

        วิธีการวัดความโน้มถ่วงของโลก หรือกราวิมิเตอร์เป็นเทคนิคทางธรณีวิทยาฟิสิกส์ที่ใช้ในการสำรวจแหล่งน้ำมันและแก๊สธรรมชาติ [2]  ถึงแม้ในช่วงต้นจะยังไม่เป็นที่นิยมเท่าวิธีวิทยาแผ่นดินไหว (seismology) แต่วิธีการวัดค่าความโน้มถ่วงของโลกก็เพิ่มความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ โดยเฉพาะในการสำรวจพื้นที่กลุ่มเป้าหมายที่ตื้น

 

        กราวิมิเตอร์มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องในช่วง 25 ปีที่ผ่านมา  โดยเฉพาะอย่างยิ่งความสามารถในการใช้งานในสภาพแวดล้อมแบบเคลื่อนที่อยู่ตลอด และเมื่อรวมกับการใช้งานของ global positioning systems (GPS) ทำให้ได้ความแม่นยำในการระบุตำแหน่งมากขึ้น รวมถึงการสำรวจทางอากาศ หรือการควบคุมระยะไกลในพื้นที่ที่เข้าไปไม่ถึง  แต่วิธีวัดค่าความโน้มถ่วงของโลกสามารถเข้าถึงได้ ทำให้กราวิมิเตอร์เป็นวิธีที่มีแนวโน้มที่จะใช้เป็นเทคนิคหลักที่ใช้ในการสำรวจแหล่งน้ำมันและแก๊สธรรมชาติในอนาคตอันใกล้นี้

 

ตารางที่ 1 เปรียบเทียบวิธีต่างๆของการวัดค่าความโน้มถ่วงของโลก จะเห็นว่าวิธีการอินเตอร์เฟียโรมิเตอร์ของอะตอม (Atom interferometer) เป็นวิธีการที่มีความแม่นยำที่สุด [3]

  

 

        จากงานวิจัยต่างๆจะเห็นว่ากราวิมิเตอร์มีหลากหลายวิธี ดังเช่นแสดงตามตารางที่ 1 แสดง 4 ตัวอย่างของกราวิมิเตอร์ คือ ระบบมวลแขวนสปริง (spring/mass system) ซึ่งมีข้อดีคือมีขนาดเล็กพกพาได้สะดวก แต่ความแม่นยำต่ำและค่าเปลี่ยนแปลงได้ง่ายจากการเสื่อมของสปริง ส่วนวิธีการใช้สารตัวนำยิ่งยวด (superconducting) ในสนามแม่เหล็กและภายใต้แรงโน้มถ่วงมีการเปลี่ยนค่าของระบบต่ำที่สุด แต่ระบบก็มีข้อจำกัดอย่างมากต่อสิ่งแวดล้อม วิธีต่อไปคือวิธีใช้อินเตอร์เฟียโรมิเตอร์ของเลเซอร์ซึ่งสะท้อนจากกระจกที่แขวนอยู่บนสปริงในแนวดิ่ง ดังนั้นแรงที่เปลี่ยนแปลงของสปริงมาจากค่าความโน้มถ่วงของโลกที่เปลี่ยนแปลงไป แต่ข้อจำกัดของวิธีการนี้ก็คือการที่ต้องใช้สปริงพิเศษที่กำจัดผลกระทบของการสั่นที่ความถี่สูงได้ แต่ข้อดีของวิธีการนี้คือได้ค่าความแม่นยำสูงมาก วิธีการสุดท้ายคืออินเตอร์เฟียโรมิเตอร์ของอะตอมซึ่งวิธีการนี้มีข้อดีชัดเจนคือมีความแม่นยำสูงที่สุดถ้าทำการวัดในเวลาเฉลี่ยที่นานขึ้น

 

        วิธีการวัดค่าความโน้มถ่วงของโลกด้วยอินเตอร์เฟียโรมิเตอร์ของอะตอมนั้นแรกเริ่มใช้วิธีการการแทรกสอดของอะตอมในพิสัยสนามไกลของอินเตอร์เฟียโรมิเตอร์อะตอมแบบมัค-เซนเดอร์ (Mach-Zehnder-type atom interferometer) แสดงดังรูปที่ 1 โดยจะใช้อะตอมเย็นในการทดลองโดยการให้ลำของอะตอมเย็นถูกแยกออกเป็นสองลำด้วยเลเซอร์พัลส์ชนิด  หลังจากนั้นลำของอะตอมจะถูกรวมกันด้วยเลเซอร์พัลส์ชนิด  และท้ายสุดอะตอมจะแยกอีกครั้งด้วยเลเซอร์พัลส์ชนิด  อีกครั้ง การประมวลผลข้อมูลทำจากการแทรกสอดของอะตอมหลังเลเซอร์ชุดที่สามดังกล่าวซึ่งวิธีการนี้เป็นการจัดชุดการทดลองลักษณะเดียวกันกับอินเตอร์เฟียโรมิเตอร์แบบมัค-เซนเดอร์ของแสงทั่วไป โดยวิธีการนี้มีแม่นยำที่สุดในการวัดค่าความโน้มถ่วงของโลกจนถึงปัจจุบัน โดยสามารถวัดความละเอียดของความโน้มถ่วงของโลกได้ถึง  ในการวัดค่าเป็นเวลาสองวัน [3, 4] รูปที่ 2 แสดงอินเตอร์เฟียโรมิเตอร์อะตอมแบบมัค-เซนเดอร์ โดยการยิงลำอะตอมขึ้นตามแนวดิ่ง บางครั้งจึงเรียกว่าวิธีน้ำพุของอะตอม (atomic fountain) การพัฒนาวิธีการวัดค่าความโน้มถ่วงของโลกด้วยอินเตอร์เฟียโรมิเตอร์ของอะตอมแบบน้ำพุของอะตอมนั้นได้ถูกพัฒนาอย่างต่อเนื่องจนถึงปัจจุบัน [5] (รูปที่ 3)

 

 

รูปที่ 1 อินเตอร์เฟียโรมิเตอร์อะตอมแบบมัค-เซนเดอร์ [3]

 

 

รูปที่ 2 กราวิมิเตอร์โดยวิธีน้ำพุของอะตอม [4]

 

 

รูปที่ 3 กราวิมิเตอร์โดยวิธีน้ำพุของอะตอม ภาพถ่ายจากเรือ Beautemps–Beaupré [5]

 

2. อินเตอร์เฟียโรมิเตอร์อะตอมสนามใกล้แบบทาล์บอท-เลา

 

        กราวิมิเตอร์แบบอินเตอร์เฟียโรมิเตอร์อะตอมสนามใกล้แบบทาล์บอท-เลาที่โครงการวิจัยนี้ทำการวิจัยเป็นวิธีการที่ไม่เคยมีการทำมาก่อน โดยโครงการนี้จะทำการทดลองโดยใช้เกรตติง (grating) ในการทดลองการแทรกสอดของอะตอมแสดงดังรูปที่ 4 วิธีการนี้จะใช้อะตอมเย็นเช่นกันในการเป็นแหล่งกำเนิดโดยด้านบนเป็นเลเซอร์ทำอะตอมเย็น 6 ทิศทางกับสนามแม่เหล็กจากขดลวด (anti-Helmholtz coils) เพื่อทำอะตอมเย็นหรือเรียกวิธีนี้ว่าใช้เทคนิคการกักขังเชิงทัศนศาสตร์แม่เหล็ก magneto-optical trap (MOT) หลังจากนั้นทำให้อะตอมตกอิสระตามอิทธิพลของค่าความโน้มถ่วงของโลกผ่านเกรตติงที่หนึ่งเพื่อทำให้อะตอมมีความเป็นอาพันธ์ และหลังจากนั้นอะตอมจะเลี้ยวเบนผ่านเกรตติงที่สองและที่ระยะที่เหมาะสมเรียกว่าระยะทาล์บอท (Talbot length) หลังจากเกรตติงที่สองจะสามารถวัดริ้วรอยการแทรกสอดได้ โดยริ้วรอยการแทรกสอดที่ได้จะมีผลการเปลี่ยนระยะทาล์บอทเนื่องจากค่า g ทำให้สามารถวัดค่า g จากริ้วรอยการแทรกสอดนี้เอง วิธีการนี้เรียกว่าอินเตอร์เฟียโรมิเตอร์อะตอมสนามใกล้แบบทาล์บอท-เลา ความแม่นยำของการวัดค่าความโน้มถ่วงของโลกจากวิธีการนี้ขึ้นอยู่กับความแม่นยำของการวัดคาบของเกรตติง [6] และการวัดระยะระหว่างสองเกรตติง รวมถึงการวัดระยะระหว่างเกรตติงที่สองถึงตำแหน่งตัวตรวจจับ (detector) ซึ่งสามารถวัดได้ด้วยเครื่องมือวัดระยะทางที่มีความแม่นยำสูงที่มีขายในตลาดทั่วไป

 

 

รูปที่ 4 กราวิมิเตอร์แบบอินเตอร์เฟียโรมิเตอร์อะตอมสนามใกล้แบบทาล์บอท-เลา

 

3. ความก้าวหน้าของโครงการ

 

        ความก้าวหน้าของโครงงานวิจัยที่ได้ทำแล้วเสร็จประกอบด้วยหลายส่วน ในส่วนแรกคือการสร้างทฤษฎีเพื่อหาสมการที่ใช้ค่านวณหาค่า g เมื่อได้ผลการทดลองของอินเตอร์เฟียโรมิเตอร์แล้ว [6]  ซึ่งเป็นการเตรียมทฤษฎีเมื่อได้ผลการวัดจากการทดลอง นอกจากนั้นยังสร้างวิธีการวัดค่าคาบของเกรตติงที่แม่นยำ [7]  เพื่อใช้ค่าต่อไปในการหาค่า g ในส่วนของการผลิตอะตอมเย็นซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดของอะตอมในการทดลอง ซึ่งจะใช้อะตอมของรูบิเดียม-85 เย็นโดยใช้เทคนิคการกักขังเชิงทัศนศาสตร์แม่เหล็กเพื่อใช้เป็นแหล่งกำเนิดของชุดทดลองอินเตอร์เฟียโรมิเตอร์สนามใกล้แบบทาล์บอท-เลานั้น  ได้ทำการสร้างเลเซอร์ external cavity diode laser (ECDL) ซึ่งเป็นเลเซอร์ที่สามารถปรับความถี่ของเลเซอร์ให้ตรงกับความถี่ของอะตอมรูบิเดียม-85 ที่ต้องใช้ในงานทำอะตอมเย็น ดังรูปที่ 5 โดยจะต้องใช้ระบบสองเลเซอร์โดยเลเซอร์ที่หนึ่งคือเลเซอร์กักขัง (trap laser) ซึ่งจะเป็นเลเซอร์ที่กระตุ้นอะตอมจาก F = 3 ไปสู่ F' = 3,4 ซึ่งเป็นเลเซอร์ที่ใช้ในการทำอะตอมเย็น ส่วนเลเซอร์ที่สองคือเลเซอร์ปั๊ม (repumper laser) เป็นเลเซอร์ที่ทำให้อะตอมกลับมาตั้งต้นที่ F = 3 ได้เพื่อทำอะตอมเย็นอีกรอบถัดไป รูปที่ 6 แสดงตัวอย่างของ ECDL ที่สร้างขึ้นซึ่งสามารถปรับความถี่จนได้กราฟสเปกตรัมการดูดกลืนแบบแถบกว้างจากดอปเปลอร์และโครงสร้างอะตอมแบบสุดละเอียด (Doppler-broadened spectral lines and hyperfine structures) ดังแสดงตามรูปที่ 7 ซึ่งได้จากการที่กลุ่มวิจัยได้สร้างชุดสเปกโตรมิเตอร์ของอะตอมรูบิเดียมขึ้นมาเองในห้องปฏิบัติการ เมื่อทำการสร้าง ECDL เสร็จสิ้น ลำดับถัดไปคือการรวมระบบเพื่อสร้างอะตอมเย็นต่อไป ในส่วนสุดท้ายคือการออกแบบและสร้างระบบสุญญากาศในระดับ UHV ทั้งนี้การสร้างตัวตรวจจับของอะตอมอยู่ในขั้นตอนของการสร้างระบบใกล้เสร็จสิ้น (รูปที่ 8) เพื่อประกอบรวมเป็นกราวิมิเตอร์ในขั้นตอนสุดท้ายนั่นเอง

 

 

รูปที่ 5 ระดับชั้นพลังงานที่ใช้ในการทำเทคนิคการกักขังเชิงทัศนศาสตร์แม่เหล็กโดยมี 2 เลเซอร์คือเลเซอร์กักขัง (trap laser) และเลเซอร์ปั๊ม (repumper laser) [8]

 

 

รูปที่ 6 ภาพถ่ายของชุด ECDL ที่สร้างขึ้นเอง

 

 

รูปที่ 7 ตัวอย่างกราฟสเปกตรัมการดูดกลืนแบบแถบกว้างจากดอปเปลอร์และโครงสร้างอะตอมแบบสุดละเอียด (Doppler-broadened spectral lines and hyperfine structures) สำหรับทำเลเซอร์กักขัง

 

 

รูปที่ 8 ระบบทดสอบสุญญากาศในระดับ UHV (ความดันอยู่ในช่วง 10-9 mbar)

 

เอกสารอ้างอิง

 

[1] P. Panthong, S. Srisuphaphon, S. Chiangga, and S. Deachapunya, High-contrast optical vortex detection using the Talbot effect, Appl. Opt. 57(7), 1657-1661 (2018).

[2] M. N. Nabighian, M. E. Ander, V. J. S. Grauch, R. O. Hansen, T. R. LaFehr, Y. Li, W. C. Pearson, J. W. Peirce, J. D. Phillips, and M. E. Ruder, 75th Anniversary historical development of the gravity method in exploration, Geophysics 70(6), 63ND-89ND (2005).

[3] A. Peters, K. Y. Chung, and S. Chu, High-precision gravity measurements using atom interferometry, Metrologia 38, 25-61 (2001).

[4] A. Peters, K. Y. Chung, and S. Chu, Measurement of gravitational acceleration by dropping atoms, Nature 400, 849-852 (1999).

[5] Y. Bidel, N. Zahzam, C. Blanchard, A. Bonnin, M. Cadoret, A. Bresson, D. Rouxel, and M. F. Lequentrec-Lalancette, Absolute marine gravimetry with matter-wave interferometry, Nat. Commun. 9, 627 (2018).

[6] W. Temnuch, S. Deachapunya, P. Panthong, S. Chiangga, S. Srisuphaphon, A simple description of near-field and far-field diffraction, Wave Motion 78, 60-67 (2018).

[7] T. Photia, W. Temnuch, S. Srisuphaphon, N. Tanasanchai, W. Anukool, K. Wongrach, P. Manit, S. Chiangga, and S. Deachapunya, High-precision grating period measurement, Appl. Opt. 58(2), 270-273 (2019).

[8] S. Hamzeloui, Interferometry using magnetic sensitive states, Dissertation (2016).

 

รายงานโดย

 

รองศาสตราจารย์ ดร.สรายุธ เดชะปัญญา

ห้องปฏิบัติการทัศนศาสตร์ควอนตัมและนาโน

ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยบูรพา อ. เมือง จ. ชลบุรี - 20131

อีเมล์: sarayut@buu.ac.th