รางวัลเบรคทรูด้านฟิสิกส์พื้นฐานประจำปี 2562

19 เมษายน 2562

 

 

รูปที่ 1 นักฟิสิกส์ทฤษฎีชาวอเมริกัน 2 คน คือ (เรียงจากขวามาซ้าย) ศาสตราจารย์ Charles Kane (อายุ 56 ปี) กับ ศาสตราจารย์ Eugene Mele (อายุ 68 ปี) จากภาควิชาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ วิทยาลัยศิลปศาสตร์และวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนีย ร่วมกันขึ้นรับรางวัล Breakthrough Prize in Fundamental Physics ประจำปีพ.ศ. 2562 มูลค่า 3 ล้านเหรียญสหรัฐ หรือประมาณ  95 ล้านบาท เมื่อวันที่ 4 พฤศจิกายน พ.ศ. 2561 ที่ศูนย์วิจัย Ames ขององค์การ NASA  (ที่มารูป : http://www.zimbio.com/photos/Eugene+Mele/2019+Breakthrough+Prize+Inside/0lCOdkjiuMi)

 

       ปีนี้เป็นครั้งที่ 7 ของ Breakthrough Prizes แล้ว ซึ่งคณะผู้สนับสนุนเงินรางวัลคือกลุ่มมหาเศรษฐีใจบุญประกอบด้วย Sergey Brin (ผู้ร่วมก่อตั้ง Google), Mark Zuckerberg (ผู้ร่วมก่อตั้ง Facebook) และภรรยา (Priscilla Chan), Ma Huateng (ผู้ก่อตั้ง Tencent), Yuri Milner (อดีตนักฟิสิกส์ ปัจจุบันเป็นนักลงทุนด้านเทคโนโลยี) และภรรยา (Julia Milner) และ Anne Wojcicki (ผู้ก่อตั้ง 23andMe) เมื่อนับรวมทุกรางวัลคือ Breakthrough Prize in Fundamental Physics, Breakthrough Prize in Mathematics, Breakthrough Prize in Life Sciences, Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics, New Horizons in Physics Prize และ New Horizons in Mathematics Prize เงินรางวัลมีมูลค่ารวมทั้งสิ้น 22 ล้านเหรียญสหรัฐ (ประมาณ 698 ล้านบาท)

 

       อันที่จริงศาสตราจารย์ Kane กับศาสตราจารย์ Mele ทราบว่าได้รับการคัดเลือกให้ได้รับรางวัลนี้ตั้งแต่เมื่อเดือนมิถุนายน (2561) โดยศาสตราจารย์ Edward Witten ประธานคณะกรรมการคัดเลือกรางวัล Breakthrough Prize in Fundamental Physics ซึ่งเป็นนักฟิสิกส์ทฤษฎีเรืองนามชาวอเมริกัน แห่งสถาบัน Institute for Advanced Study ของมหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน (Einstein เคยทำงานที่สถาบันแห่งนี้ตราบจนวาระสุดท้าย) เป็นคนโทรศัพท์ไปบอกทั้ง 2 ท่านด้วยตัวเอง แต่ก็ได้ขอให้ทั้งสองท่านสัญญาว่าจะไม่แพร่งพรายข่าวดีนี้ให้ใครทราบจนกว่าจะมีการประกาศอย่างเป็นทางการจากทาง Breakthrough Prizes ศาสตราจารย์ Witten ให้ความเห็นส่วนตัวว่าศาสตราจารย์ Kane กับศาสตราจารย์ Mele ได้นำเสนอแนวคิดใหม่ๆที่น่าสนใจมากของการนำโทโพโลยีมาใช้ในฟิสิกส์ควอนตัม

 

 

รูปที่ 2 ศาสตราจารย์ Kane (ซ้าย) กับศาสตราจารย์ Mele (ขวา) ในห้องทำงานซึ่งอยู่ร่วมกันที่มหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนีย เมืองฟิลาเดลเฟีย มลรัฐเพนซิลเวเนีย (ที่มารูป : https://www.heraldonline.com/living/article20235321.html)

 

       ศาสตราจารย์ทั้งสองท่านเรียนจบปริญญาเอกจากสถาบันเดียวกันคือ Massachusetts Institute of Technology (MIT) แต่ห่างกันประมาณ 1 ทศวรรษ โดยศาสตราจารย์ Mele เรียนจบในปีพ.ศ. 2521 ส่วนศาสตราจารย์ Kane เรียนจบในปีพ.ศ. 2532 ทั้งสองท่านพบกันเป็นครั้งแรกในปีพ.ศ. 2533 เมื่อศาสตราจารย์ Mele เชิญให้ศาสตราจารย์ Kane ซึ่งขณะนั้นทำงานเป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอก (post-doc) อยู่ที่ศูนย์วิจัย Thomas J. Watson ของ IBM มาบรรยายเรื่อง “High-temperature Superconductivity” ที่มหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนีย ซึ่งในปีถัดมาศาสตราจารย์ Kane ก็ย้ายมาลงหลักปักฐานที่มหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนียเป็นการถาวร (ผู้ที่เป็นกำลังสำคัญในการผลักดันให้เกิดมหาวิทยาลัยแห่งนี้ก็คือ Benjamin Franklin ซึ่งได้เริ่มเปิดสอนตั้งแต่เมื่อปีพ.ศ. 2294) และนับตั้งแต่นั้นทั้งสองท่านก็ทำงานด้วยกันตลอดมา ศาสตราจารย์ Kane เล่าว่าท่านถือว่าศาสตราจารย์ Mele ไม่ได้เป็นแต่เพียงเพื่อนร่วมงาน แต่ยังเป็นพี่เลี้ยง (mentor) ของท่านด้วย

 

       คำสดุดีของคณะกรรมการคัดเลือกรางวัล Breakthrough Prize in Fundamental Physics ต่อศาสตราจารย์ Kane และศาสตราจารย์ Mele ก็คือ  “สำหรับแนวความคิดใหม่ๆเกี่ยวกับโทโพโลยีและซิมเมตรีในวิชาฟิสิกส์ที่นำไปสู่การทำนายการมีอยู่ของวัสดุชนิดใหม่ที่สามารถนำไฟฟ้าได้แต่เฉพาะที่ผิว”  วัสดุชนิดใหม่ในที่นี้ก็คือ topological insulators ซึ่งศาสตราจารย์ทั้งสองท่านได้พิสูจน์ไว้ในเชิงทฤษฎีและตีพิมพ์เผยแพร่ในวารสาร Physical Review Letters อันมีชื่อเสียงและมาตรฐานสูงในปีพ.ศ. 2548 เรื่อง “Z2 Topological Order and the Quantum Spin Hall Effect” [1] ศาสตราจารย์ Mele ได้กล่าวไว้ว่า “นักวิทยาศาสตร์เคยคิดกันว่าฉนวนอะไรๆก็เหมือนกันหมด ตัวนำเป็นเรื่องเจ๋ง แต่ฉนวนเป็นเรื่องน่าเบื่อ แต่ผมคิดว่า ด้วยมุมมองใหม่ ตอนนนี้มันกลับตาลปัตรกันแล้ว“

 

       รู้กันมานานนับเป็นศตวรรษแล้วว่าในแง่ของสมบัติทางไฟฟ้า วัสดุต่างๆแบ่งออกได้เป็น 2 ชนิดคือตัวนำไฟฟ้า (conductor) เช่น ทองแดงและเงิน เป็นต้น ซึ่งภายในวัสดุชนิดนี้มีทั้งอิเล็กตรอนที่ไม่เป็นอิสระด้วยถูกยึดโยงอยู่กับอะตอมอย่างแน่นหนา กับอิเล็กตรอนที่เป็นอิสระ สามารถเคลื่อนที่ไปอยู่ที่ไหนก็ได้ เมื่อถูกเหนี่ยวนำเช่นมีการนำความต่างศักย์ไฟฟ้ามาต่อคร่อมวัสดุ อิเล็กตรอนอิสระก็ชอบที่จะวิ่งไปหาขั้วศักย์ไฟฟ้าบวก เกิดเป็นกระแสไฟฟ้าขึ้นภายในวัสดุนั้น ชนิดที่สองคือฉนวนไฟฟ้า (insulator) เช่น ควอตซ์ (quartz) และแก้วเป็นต้น ซึ่งภายในวัสดุชนิดนี้มีแต่พวกอิเล็กตรอนที่ไม่เป็นอิสระ ไม่สามารถเคลื่อนที่ไปไหนได้ไกล จึงไม่สามารถเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้นภายในวัสดุที่เป็นฉนวนได้ แต่ต่อมาในปีพ.ศ. 2454 นักฟิสิกส์ชาวดัตช์ชื่อ Heike Kamerlingh Onnes ก็ได้ค้นพบวัสดุชนิดที่ 3 คือ วัสดุตัวนำยิ่งยวด (superconductor) ที่กระแสไฟฟ้าสามารถไหลในวัสดุประเภทนี้ได้สะดวกมากโดยมีความต้านทานเป็นศูนย์ เช่น สารประกอบ YBCO (yttrium barium copper oxide) ที่อุณหภูมิต่ำระดับไนโตรเจนเหลว เป็นต้น

 

       มาถึงยุคสมัยนี้ จากผลงานการค้นคว้าวิจัยของศาสตราจารย์ Kane กับศาสตราจารย์ Mele ทำให้เรารู้ว่ามีวัสดุชนิดที่ 4 คือ topological insulators ซึ่งเป็นวัสดุที่เนื้อในเป็นฉนวนไฟฟ้า แต่บริเวณขอบหรือผิวเป็นตัวนำไฟฟ้าอย่างดีมาก โดยคุณสมบัตินี้ไม่สามารถถูกลบล้างได้โดยง่าย แม้จะเกิดมีความบกพร่องขึ้นที่ขอบหรือผิว เพราะได้รับการปกป้องด้วยโทโพโลยี เพื่ออธิบายให้นักศึกษาเห็นภาพได้ง่าย ศาสตราจารย์ Kane ชอบเทียบเคียง topological insulator กับแท่งช็อกโกแลตรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่มักถูกห่อด้วยอลูมิเนียมฟอยล์ เนื้อช็อกโกแลตก็คือส่วนที่เป็นฉนวนไฟฟ้า อลูมิเนียมฟอยล์ก็คือส่วนผิวที่นำไฟฟ้าได้ ยกเว้นการฉีกแล้ว ไม่มีวิธีอื่นใดที่จะเอาอลูมิเนียมฟอยล์ออกจากผิวของช็อกโกแลตได้ ไม่ว่าจะเป็นการบิดหรือแม้แต่ถูกหั่น นั่นคือแม้จะมีรูปร่างเปลี่ยนไปจากเดิม ความสามารถในการนำไฟฟ้าได้ดีที่ผิวจะยังดำรงอยู่เสมอ ซึ่งเป็นผลมาจากการปกป้องของโทโพโลยี คำทำนายของศาสตราจารย์ Kane และศาสตราจารย์ Mele ดังกล่าวได้รับการยืนยันจากผลการทดลองที่ต้องใช้ความวิริยะอุตสาหะอย่างสูงของทีมนักฟิสิกส์ที่ University of Wurzburg ประเทศเยอรมนี นำโดยศาสตราจารย์ Laurens W. Molenkamp เมื่อปีพ.ศ. 2550 [2] โดยวัสดุที่เลือกมาใช้ในการทดลองคือสารประกอบ mercury telluride (HgTe)

 

 

รูปที่ 3 แผนภาพแสดงลักษณะการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนทั้งที่ขอบและบริเวณด้านในของ 2D topological insulators (ที่มารูป : https://jqi.umd.edu/pfc/news/reports/floquet-topological-insulator-semiconductor-quantum-wells)

 

       ปัจจุบันมีนักวิจัยหลายคณะกำลังค้นหาและศึกษาวัสดุ topological insulators ใหม่ๆกันอย่างขะมักเขม้น ทั้งนี้นอกจาก topological electronic materials จะเป็นแขนงองค์ความรู้ใหม่ที่กำลังได้รับความสนใจอย่างคึกคักแล้ว ยังเชื่อกันว่า topological insulators จะมีประโยชน์เป็นอย่างมากต่อความก้าวหน้าของวงการอิเล็กทรอนิกส์ เช่นช่วยทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีขนาดเล็กลงไปได้อีกและยังประหยัดพลังงานได้มากกว่าปัจจุบันมาก เพราะอิเล็กตรอนที่ผิวของ topological insulators จะเคลื่อนที่อย่างเป็นระเบียบมากว่าอิเล็กตรอนในตัวนำไฟฟ้าทั่วๆไปมาก อุปมาได้กับการพยายามเดินฝ่าไปข้างหน้าบนถนนที่คราคร่ำไปด้วยฝูงชนอย่างเช่นถนนสีลมในเทศกาลวันสงกรานต์ที่ผ่านมา แต่การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่ขอบหรือผิวของ topological insulators จะเหมือนกับการเดินบนทางเลื่อน (walkway) ในสนามบินสุวรรณภูมิ ดังนั้นสภาพนำไฟฟ้าที่ผิวของ topological insulators จึงมีความต้านทานต่ำกว่าสภาพนำไฟฟ้าของตัวนำไฟฟ้าที่เราใช้กันอยู่ในปัจจุบันอย่างมาก ส่งผลให้เกิดความร้อนขึ้นในวงจรน้อยมาก ประเด็นนี้เป็นเรื่องสำคัญที่ไม่อาจมองข้ามได้ของห้องอันเป็นที่รวมของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากที่ต้องเปิดทำงานตลอดเวลา เช่นห้อง supercomputer หรือห้องเซิร์ฟเวอร์ (server room)  ซึ่งปัจจุบันจะต้องทำให้เย็นอย่างต่อเนื่องที่อุณหภูมิในช่วง 20-22 เซลเซียส

 

       ศาสตราจารย์ Kane ให้ความเห็นเสริมว่า topological insulators มีคุณสมบัติพิเศษที่เมื่อนำไปรวมกับตัวนำยิ่งยวดสามารถนำไปสู่หนทางใหม่ของการเก็บข้อมูลเชิงควอนตัม และการพัฒนาควอนตัมคอมพิวเตอร์ ซึ่งเป็นหนึ่งในความท้าทายทางเทคโนโลยีขั้นเอกอุของศตวรรษหน้า ส่วนศาสตราจารย์ Mele กล่าวว่า “ผลตอบแทนที่สำคัญที่สุดอาจเป็นสิ่งที่ไม่เคยมีใครคาดคิดมาก่อน เราได้จัดเตรียมจานผสมสีแห่งวัสดุชนิดต่างๆไว้ให้แล้ว และเมื่อคุณส่งมันให้กับคนที่ฉลาดๆ พวกเขาจะสามารถเอามันไปสร้างสรรค์สิ่งที่ฉลาดๆขึ้นมาได้ ถ้าผมสามารถขี่ time machine ไปในอนาคตอีก 50 ปี ผมอยากจะรู้ว่ามีอุปกรณ์ใหม่ๆอะไรบ้างที่ได้รับการพัฒนาต่อยอดมาจากการค้นคว้าวิจัยเชิงพื้นฐานของเรา”

 

 

 

(ก)

 

 

(ข)

 

รูปที่ 4 (ก) Dame Jocelyn Bell Burnell นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ของ University of Dundee กับ University of Oxford ในวันที่ขึ้นรับรางวัลตอนที่มีอายุ 75 ปี (ข) ภาพถ่ายของ Jocelyn Bell ในวันที่ค้นพบพัลซาร์โดยใช้เครื่องไม้เครื่องมือที่ Mullard Radio Observatory ใกล้กับเมืองเคมบริดจ์ ในประเทศอังกฤษ โดยด้านซ้ายมือของภาพเป็นส่วนหนึ่งของกระดาษต่อเนื่องบันทึกผลการวัด จะเห็นว่าจับสัญญาณจากพัลซาร์ได้ตรงตำแหน่งที่เขียนไว้ว่า CP 1919 (ที่มารูป :https://www.wired.com/story/to-shake-up-science-the-breakthrough-prizes-need-more-than-money/ และ https://www.cam.ac.uk/Discovery)

 

รางวัลอื่นๆที่เกี่ยวข้องกับฟิสิกส์ก็ได้แก่

 

ก) รางวัล Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics : ได้มอบให้กับ Dame Jocelyn Bell Burnell จากการที่ท่านมีส่วนอย่างสำคัญในการค้นพบพัลซาร์ (pulsar) และเป็นแรงบันดาลใจให้กับวงการวิทยาศาสตร์ตลอดมา อันที่จริงพัลซาร์ ซึ่งปัจจุบันรู้แล้วว่าคือดาวนิวตรอนที่หมุนด้วยความเร็วสูง ถูกค้นพบตั้งแต่เมื่อปีพ.ศ. 2510 ตอนที่ท่านยังเป็นนักศึกษาปริญญาเอกของมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ มีอายุเพียง 24 ปี แต่ต่อมาประเด็นการค้นพบนี้กลายเป็นเรื่องดราม่าระดับโลก เนื่องจากคณะกรรมการรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปีพ.ศ. 2517 ได้ประกาศให้ศาสตราจารย์ Antony Hewish อาจารย์ที่ปรึกษาวิทยานิพนธ์ของ Dame Jocelyn Bell Burnell ได้รับรางวัลจากการค้นพบพัลซาร์แต่เพียงผู้เดียว  มีนักดาราศาสตร์ชั้นนำของโลกหลายท่านที่ไม่เห็นด้วยกับคำตัดสินนี้ เช่นเซอร์ Fred Hoyle เป็นต้น  ผลการตัดสินในครั้งนั้นได้กลายเป็นข้อถกเถียงในประเด็นความอยุติธรรมในการเลือกปฏิบัติ (ระหว่างอาจารย์กับลูกศิษย์ / ชายกับหญิง)

 

       การได้รับการยอมรับและยกย่องจากรางวัลนี้คงมีค่ากับท่านมากกว่าเงินรางวัล 3 ล้านเหรียญสหรัฐ ท่านจึงได้บริจาคเงินรางวัลทั้งหมดให้กับองค์กรการกุศลในประเทศอังกฤษเพื่อสนับสนุนการศึกษาในระดับบัณฑิตศึกษาของนักศึกษาฟิสิกส์ที่มาจากกลุ่มด้อยโอกาส

 

ข) รางวัล New Horizons in Physics Prize : ได้มอบให้กับนักฟิสิกส์ 7 ท่าน ดังต่อไปนี้

ข1) Brian Metzger (Columbia University) จากการเป็นผู้บุกเบิกในการทำนายสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากการผนวกรวมกันของดาวนิวตรอน และจากการเป็นผู้นำในแขนงองค์ความรู้ใหม่ที่เรียกว่า multi-messenger astronomy

 

ข2) Rana Adhikari (California Institute of Technology), Lisa Barsotti (Massachusetts Institute of technology), Matthew Evans (Massachusetts Institute of technology) : จากการศึกษาค้นคว้าในเรื่องของหัววัดคลื่นความโน้มถ่วงแบบติดตั้งบนพื้นโลกทั้งในปัจจุบันและอนาคต

 

ข3) Daniel Harlow (Massachusetts Institute of technology), Daniel J. Jafferis (Harvard University), Aron Wall (Stanford University) : จากความรอบรู้ในระดับรากฐานอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับ quantum information, ทฤษฎีสนามควอนตัม และความโน้มถ่วง

 

โดยใน 3 หัวข้อนี้จะได้รับเงินรางวัล 100,000 เหรียญสหรัฐ (ประมาณ 3.18 ล้านบาท) ต่อหัวข้อ

 

เอกสารอ้างอิง

 

  1. C. L. Kane, E. J. Mele, “Z2 Topological Order and the Quantum Spin Hall Effect”, Phys. Rev. Lett. 95, 226801 (2005).
  2. M. Konig, S. Wiedmann, C. Brune, A. Roth, H. Buhmann, L. W.  Molenkamp, X.-L. Qi, S.-C. Zhang, “Quantum Spin Hall Insulator State in HgTe Quantum Wells”, Science 318,766 (2007).