ทีมวิจัยไทย สหรัฐ และญี่ปุ่นพบหลักฐานการดำรงอยู่ของ nonreciprocal magnons เป็นครั้งแรก

4 สิงหาคม 2560

                ทีมนักวิจัยจากประเทศไทย สหรัฐอเมริกาและญี่ปุ่น ซึ่งมีรองศาสตราจารย์ ดร. กิตติวิทย์ มาแทน จากภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยมหิดลเป็นหัวหน้าโครงการ ประสบความสำเร็จในการทดลองค้นพบปรากฏการณ์ใหม่ของคลื่นสปินในวัสดุแม่เหล็กกลุ่มแอนติเฟร์โรแมกเนตที่ไม่มีสมมาตรการผกผัน (noncentrosymmetricantiferromagnet) ผลงานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์เผยแพร่แล้วในวารสาร Physical Review Letters [1] ซึ่งเป็นวารสารวิชาการชั้นนำของโลก

รูปที่ 1 แผนภาพแสดงการเกิดปรากฏการณ์ฟาราเดย์ของแสง ซึ่งไมเคิล ฟาราเดย์ ได้บันทึกการค้นพบไว้ตั้งแต่เมื่อปี พ.ศ. 2388

(ที่มา : https://nationalmaglab.org/education/magnet-academy/history-of-electricity-magnetism/pioneers/michael-faraday และ http://www.mn.uio.no/fysikk/english/research/groups/amks/superconductivity/mo/)

               ปรากฏการณ์ไบรีฟรินเจนซ์เชิงวงกลม (circular birefringence) ที่เกิดขึ้นในแสง เป็นปรากฏการณ์ที่แสงซึ่งเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางบางชนิดด้วยอัตราเร็วที่ต่างกันขึ้นอยู่กับโพลาไรเซชัน นั่นคือแสงที่มีโพลาเซชันเชิงวงกลมแบบทวนเข็มนาฬิกาเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วที่ต่างจากแสงที่มีโพลาไรเซชันแบบตามเข็มนาฬิกา ทำให้โพลาเซชันรวมของแสงเกิดการหมุนในขณะที่แสงเคลื่อนที่ไปในตัวกลางนั้น  ถ้าปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นภายใต้สนามแม่เหล็ก จะถูกเรียกว่าปรากฏการณ์ฟาราเดย์ (Faraday effect) โดยแกนโพลาไรเซชันของแสงจะหมุนขณะที่แสงเคลื่อนที่ไปในตัวกลางตามค่าความเข้มของสนามแม่เหล็กปรากฏการณ์นี้ได้ถูกนำไปใช้ประโยชน์ในหลายด้านเช่น optical isolator หรือ magneto-optical recording ซึ่งใช้ผลจากปรากฏการณ์เคอร์ (Kerr effect) ที่คล้ายกับปรากฏการณ์ฟาราเดย์แต่เกิดกับแสงสะท้อน

รูปที่ 2 คลื่นสปินที่มุมของโพราไรเซชันเปลี่ยนตามตำแหน่ง ซึ่งคล้ายกับปรากฏการณ์ไบรีฟรินเจนซ์ที่เกิดในคลื่นแสง

               ระบบอื่นก็สามารถแสดงปรากฏการณ์ไบรีฟรินเจนซ์เชิงวงกลมได้เช่นกัน  การกระตุ้นในวัตถุแม่เหล็กทำให้เกิดคลื่นสปิน (spin waves) ที่สามารถเคลื่อนที่ไปในวัตถุ คลื่นสปินนี้ถูกเรียกว่าแมกนอน(magnon) คล้ายกับโพลาไรเซชันของคลื่นแสงหรือโฟตอน (photon)  แมกนอนในวัตถุแม่เหล็กกลุ่มแอนติเฟร์โรแมกเนตมีโพลาเซชันได้ 2 แบบ คือ โพลาไรเซชันแบบทวนเข็มนาฬิกาและแบบตามเข็มนาฬิกา โดยทั่วไปแล้วโพลาไรเซชัน 2 แบบนี้จะมีพลังงานการกระตุ้นที่เท่ากันที่ค่าความยาวคลื่นเดียวกัน แต่ในวัตถุแม่เหล็กบางชนิดโพลาไรเซชัน 2 แบบนี้จะถูกแยกออกจากกันเนื่องจากระบบนั้นไม่มีสมมาตรผกผัน (inversion symmetry) แมกนอนที่มีสมบัตินี้เรียกว่าnonreciprocal magnons  การที่ nonreciprocal magnons มีโพลาไรเซชันแบบทวนเข็มนาฬิกากับแบบตามเข็มนาฬิกาที่ถูกแยกออกจากกันทำให้อัตราเร็วเฟสของคลื่นสปิน 2 แบบนี้ต่างกัน เป็นที่มาของการเกิดปรากฏการณ์ไบรีฟรินเจนซ์เชิงวงกลมของคลื่นสปิน (magnon circular birefringence)  เมื่อปี พ.ศ. 2559 Satoru Hayami และคณะได้ทำนายเชิงทฤษฎีไว้ว่า nonreciprocal magnons  สามารถเกิดขึ้นได้ [2] แต่ยังไม่มีการค้นพบเชิงการทดลองจนกระทั่งงานวิจัยนี้

               ทีมนักวิจัยได้ทำการวัดการกระเจิงของนิวตรอนในสารประกอบ α-Cu₂V₂O₇ (ซึ่งเป็นวัสดุแม่เหล็กกลุ่มแอนติเฟร์โรแมกเนตที่ไม่มีสมมาตรการผกผัน) ผลจากการทดลองแสดงให้เห็นว่าคลื่นสปินที่มีโพลาไรเซชันแบบตามเข็มนาฬิกาและแบบทวนเข็มนาฬิกานั้นถูกแยกออกจากกันอย่างชัดเจน บ่งบอกถึงการเกิด nonreciprocal magnons งานวิจัยนี้จะนำไปสู่การพัฒนาอุปกรณ์เชิงอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้คลื่นสปินที่เรียกว่า magnonics  ตัวอย่างเช่น ทรานซิสเตอร์คลื่นสปินที่ควบคุมโดยสนามไฟฟ้า (spin wave field effect-transistor) [3]

รูปที่ 3 ผลการวัดการกระเจิงของนิวตรอนที่แสดงคลื่นสปินที่มีโพราเซชันแบบทวนเข็มนาฬิกาและตามเข็มนาฬิกา ซึ่งแยกออกจากกัน ​​

เอกสารอ้างอิง

[1] G. Gitgeatpong, Y. Zhao, P. Piyawongwatthana, Y. Qiu, L. W. Harriger, N. P. Butch, T. J. Sato, and K. Matan, Phy. Rev. Lett.119,047201 (2017).

[2] S. Hayami, H. Kusunose, and Y. Motome, J. Phys. Soc. Jpn.85, 053705 (2016).

[3] R. Cheng, M. W. Daniels, J.-G. Zhu, and D. Xiao, Sci.Rep.6, 24223 (2016).

ภาคผนวก

            ก) สำหรับท่านที่ต้องการทราบรายละเอียดมากกว่านี้ สามารถสอบถามได้ที่

                 รองศาสตราจารย์ ดร. กิตติวิทย์  มาแทน

                 ภาควิชาฟิสิกส์  คณะวิทยาศาสตร์  มหาวิทยาลัยมหิดล

                 E-mail : kittiwit@gmail.com

            ข) ข่าวแจกสื่อของมหาวิทยาลัยโทโฮกุ ประเทศญี่ปุ่นที่เกี่ยวกับการค้นพบครั้งนี้ สามารถดูได้ที่

                 https://www.tohoku.ac.jp/en/press/magnon_circular_birefringence.html