รางวัลวูล์ฟสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2563

20 มีนาคม 2563

 

 

รูปที่ 1 Richard หรือ Ricardo Wolf (พ.ศ. 2430-2524) เศรษฐีใจบุญชาวยิว เกิดที่เมืองแฮนโนเวอร์ในประเทศเยอรมนี สร้างความร่ำรวยจากผลงานการประดิษฐ์เทคนิคการถลุงเหล็กที่มีการนำไปใช้ทั่วโลก เคยดำรงตำแหน่งทูตคิวบาประจำประเทศอิสราเอลระหว่างปีพ.ศ. 2504-2516 (ที่มารูป: https://wolffund.org.il/ricardo-wolf/)

 

       Wolf Prize ของ Wolf Foundation ถือได้ว่าเป็นรางวัลสำคัญหนึ่งของโลกที่มอบให้แก่ผู้ที่มีผลงานโดดเด่นระดับสากลด้านวิทยาศาสตร์และศิลปกรรมศาสตร์เพื่อผลประโยชน์ของมวลมนุษยชาติและความสมานฉันท์ระหว่างหมู่ชน มูลนิธิวูล์ฟก่อตั้งโดย Richard Wolf (รูปที่ 1) เมื่อปีพ.ศ. 2518 และเป็นเจ้าภาพการมอบรางวัล Wolf Prize ทุกปีนับตั้งแต่ปีพ.ศ. 2521 เป็นต้นมา ปัจจุบันสาขาที่มีการมอบรางวัล Wolf Prize ได้แก่ ฟิสิกส์, เคมี, คณิตศาสตร์, แพทยศาสตร์, เกษตรศาสตร์ และ ศิลปกรรมศาสตร์ (วนกันระหว่างจิตรกรรม, ปฏิมากรรม, ดนตรี และสถาปัตยกรรม)

 

       สำหรับในปีพ.ศ. 2563นี้ มูลนิธิวูล์ฟได้มอบรางวัล Wolf Prize สาขาฟิสิกส์ให้แก่นักฟิสิกส์ 3 คนคือศาสตราจารย์ Allan H. MacDonald, ดร. Rafi Bistritzer และศาสตรจารย์ Pablo Jarillo-Herrero (รูปที่ 2-4) สำหรับ “การเป็นผู้บุกเบิกงานค้นคว้าวิจัยเชิงทฤษฎีและเชิงทดลองเกี่ยวกับแผ่นกราฟีนคู่ที่ถูกบิด (twisted bilayer graphene)”

 

 

รูปที่ 2 ศาสตราจารย์ Allan H. MacDonald นักฟิสิกส์ทฤษฎีชาวแคเนเดียน เกิดเมื่อปีพ.ศ. 2494 สำเร็จการศึกษาทั้งระดับปริญญาโทและเอกในสาขาวิชาฟิสิกส์จาก University of Toronto ประเทศแคนาดาเมื่อปีพ.ศ. 2517 และ 2521 ตามลำดับ เคยสอนหนังสืออยู่ที่ Indiana University ในสหรัฐอเมริการะหว่างปี พ.ศ. 2530-2543 ก่อนย้ายไปอยู่ที่ University of Texas วิทยาเขตเมืองออสติน จนถึงปัจจุบัน ท่านมีส่วนอย่างสำคัญในการช่วยพัฒนางานวิจัยด้าน ปรากฏการณ์ฮอลล์เชิงควอนตัม, ทฤษฎีโครงสร้างแถบพลังงานอิเล็กตรอน, สภาวะแม่เหล็ก (magnetism) และ สภาพนำยวดยิ่ง (superconductivity) (ที่มารูป: https://cns.utexas.edu/news/the-highly-cited-allan-macdonald)

 

 

รูปที่ 3  ดร. Rafi Bistritzer เป็นชาวอิสราเอล เกิดเมื่อปีพ.ศ. 2517 สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาตรีในสาขาวิชาฟิสิกส์จาก Tel Aviv University และในระดับปริญญาโทและเอกสาขาวิชาฟิสิกส์จาก Weizmann Institute of Science ประเทศอิสราเอล ในปีพ.ศ. 2550 ดร. Bistritzer ได้ไปทำงานในตำแหน่งนักวิจัยหลังปริญญาเอก (postdoc) ที่ University of Texas วิทยาเขตเมืองออสติน ภายใต้การให้คำปรึกษาของศาสตราจารย์ MacDonald ในปีพ.ศ. 2555 ได้ย้ายกลับอิสราเอลไปทำงานวิจัยและพัฒนาทางด้านแม่เหล็กไฟฟ้าและขั้นตอนวิธี (algorithms) ปัจจุบันดำรงตำแหน่งผู้จัดการกลุ่มขั้นตอนวิธีของ Applied Materials บริษัทชั้นนำของโลกด้านเทคโนโลยีขั้นสูงสัญชาติอเมริกันที่ไปตั้งฝ่าย R&D อยู่ในอิสราเอล กลุ่มของดร. Bistritzer เชี่ยวชาญด้านการเรียนรู้ของคอมพิวเตอร์จากภาพดิจิตอลและขั้นตอนวิธีในการเรียนรู้ของเครื่องจักรกล (ที่มารูป: https://wolffund.org.il/2020/01/13/rafi-bistritzer/)

 

 

รูปที่ 4 ศาสตราจารย์ Pablo Jarillo-Herrero เป็นนักฟิสิกส์เชิงทดลองชาวสเปน เกิดเมื่อปีพ.ศ. 2519 ที่เมืองวาเลนเซียในประเทศสเปน สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาตรีสาขาวิชาฟิสิกส์จาก University of Valencia ในปีพ.ศ. 2542 ระดับปริญญาโทจาก University of California วิทยาเขตเมืองซานดิเอโกในปีพ.ศ. 2544 และระดับปริญญาเอกจาก Delf University of Technology ประเทศเนเธอแลนด์เมื่อปีพ.ศ. 2548 เริ่มเข้าทำงานในตำแหน่งผู้ช่วยศาสตราจารย์ที่ Massachusetts Institute of Technology (MIT) เมื่อปีพ.ศ. 2551 และได้รับการเลื่อนฐานะขึ้นดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์ประจำภาควิชาฟิสิกส์ของ MIT เมื่อปีพ.ศ. 2561 ท่านสนใจงานค้นคว้าวิจัยเรื่อง การเคลื่อนย้ายของอิเล็กตรอนเชิงควอนตัม และออพโตอิเล็กทรอนิกส์ในวัสดุ 2 มิติชนิดใหม่ๆ ห้องปฏิบัติการวิจัยของท่านทำการทดลองศึกษาสมบัติที่น่าสนใจหลายอย่างของวัสดุ 2 มิติเหล่านี้ เช่น สภาพนำยวดยิ่ง, สภาวะแม่เหล็ก และ สมบัติเชิงโทโปโลยี (ที่มารูป:  https://www.packard.org/what-we-fund/science/packard-fellowships-for-science-and-engineering/fellowship-directory/jarillo-herrero-pablo/)

 

       ตั้งแต่มีการค้นพบกราฟีน (graphene) เมื่อปีพ.ศ. 2547 โดย Andrei  Geim กับ Konstantin Novoselov [1] หลังจากนั้นแผ่นกราฟีนก็ได้รับการศึกษาในหลากหลายแง่มุมอย่างเข้มข้น เพราะเล็งเห็นถึงศักยภาพของการก่อเกิดเทคโนโลยีใหม่ๆที่มีประโยชน์ต่อมนุษยชาติ

 

 

รูปที่ 5 ภาพวาดโครงสร้างแผ่นกราฟีนคู่ (bilayer graphene หรือ BLG) ที่ประกอบจาก single layer graphene (SLG) แผ่นบน (สีแดง) ซ้อนอยู่เหนือ SLG แผ่นล่าง (สีน้ำเงิน) ที่มีระยะห่างจากกันในเรือน 3.5 อังสตรอม โดยรูปซ้ายแสดงการซ้อนแบบ AA และรูปกลางแสดงการซ้อนแบบ AB รูปขวามือแสดงการบิด (twist) แผ่นบนของรูปซ้ายไปเป็นมุม α กราฟีนแต่ละแผ่นเป็นโครงข่ายอะตอมคาร์บอน (จุดกลมทั้งหลายในภาพ) ที่อยู่กันอย่างเป็นระเบียบแบบ hexagonal อะตอมคาร์บอนมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1.34 อังสตรอม (หรือ 0.000000134 มิลลิเมตร) ส่วนเส้นตรงสั้นๆที่เชื่อมอะตอมคาร์บอนทั้งหลายเข้าด้วยกันเป็นโครงข่ายดังกล่าว แทนพันธะยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมคาร์บอนที่มีระยะห่างประมาณ 1.42 อังสตรอม (หรือ 0.000000142 มิลลิเมตรจะเห็นได้ว่าอะตอมคาร์บอนตัวหนึ่งๆจะผูกพันอยู่กับอะตอมคาร์บอนอื่นอีก 3 ตัวด้วยพันธะแบบ covalent ซึ่งเป็นพันธะเคมีชนิดหนึ่งที่แข็งแรงมาก หรือพูดอีกอย่างว่ามี 3 พันธะ covalent ต่อ 1 อะตอม อิเล็กตรอนจึงเคลื่อนที่บนแผ่นกราฟีนอย่างมีอิสระสูงมาก เป็นที่มาของการเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดียิ่งกว่าโลหะเงิน และก็เพราะพันธะที่แข็งแรงและสั้นนี้เองที่ทำให้วัสดุ 2 มิติอย่างกราฟีนมีเสถียรภาพอยู่ได้ ทั้งๆที่เคยเชื่อกันว่าไม่สามารถดำรงอยู่ได้ในโลกของความเป็นจริงเพราะจะไร้เสถียรภาพด้วยผลของความร้อนจากสิ่งแวดล้อม กราฟีนเป็นวัสดุ 2 มิติชนิดแรกสุดที่ถูกค้นพบ (ที่มารูป: http://www.eurekaselect.com/166799/article)

 

       ในปีพ.ศ. 2554 ศาสตราจารย์ MacDonald กับนักวิจัยหลังปริญญาเอก ดร. Bistritzer ได้ค้นพบในเชิงทฤษฎีถึงคุณสมบัติที่น่าทึ่งของแผ่นกราฟีนคู่ที่ถูกบิด (รูปที่ 5) กล่าวคือได้พบว่าพลังงานที่อิเล็กตรอนอิสระต้องมีเพื่อใช้ในการข้ามจากแผ่นหนึ่งไปยังอีกแผ่นหนึ่งจะลดลงจนหายไป เมื่อมุมบิด (α) ถูกปรับลดลงจนมีค่า 1.1 องศา  ซึ่งเรียกว่า “มุมอัศจรรย์ (magic angle)” ในจังหวะนั้นเองอิเล็กตรอนทั้งหลายจะวิ่งช้าลงอย่างมาก จนสามารถเกิดสหสัมพันธ์ (correlation) ระหว่างกันที่รุนแรง แต่นักฟิสิกส์ทฤษฎีทั้งสองท่านมองไม่ทะลุว่าจะเกิดอะไรขึ้นต่อจากนั้น ได้แต่คาดเดาต่างๆนานาเช่น ที่เคยเป็นตัวนำไฟฟ้าชั้นดี แผ่นกราฟีนจะกลายเป็นฉนวนหรือ และจะเกิดสภาวะแม่เหล็กขึ้นหรือ เป็นต้น ศาสตราจารย์ MacDonald มายอมรับในตอนหลังว่า “จริงๆแล้วผมน่าจะพูดถึงเรื่องตัวนำยวดยิ่งมากกว่าเพราะเป็นสุดยอดปรารถนาของทุกคน แต่ตอนนั้นผมไม่กล้าพอที่จะเอ่ยออกมา”  ทั้งสองท่านพยายามส่งบทความเกี่ยวกับผลการคำนวณดังกล่าวไปตีพิมพ์เผยแพร่ในวารสารวิชาการ แต่ได้รับการปฏิเสธจากวารสารที่มีชื่อเสียงหลายฉบับด้วยผู้ทรงคุณวุฒิตรวจสอบบทความ (reviewer) ต่างมีความเห็นว่าสมมุติฐานที่ทั้งสองท่านใช้เพื่อลดความซับซ้อนของการคำนวณดูเหลือเชื่อเกินไป แต่ในที่สุดก็ได้รับการยอมรับจากวารสาร PNAS บทความชื่อ “Moiré Bands in Twisted Double-layer Graphene” ได้รับการตีพิมพ์เมื่อวันที่ 26 กรกฎาคม พ.ศ. 2554 แต่ผลงานชิ้นนี้กลับถูกมองข้ามความสำคัญไปอยู่หลายปี ศาสตราจารย์ Corey Dean นักฟิสิกส์ทดลองของ Columbia University ให้สัมภาษณ์ในเรื่องนี้ว่า “ตอนนั้นผมมองไม่ออกว่าเราจะได้อะไรจากแนวคิดในบทความนี้ ผมรู้สึกว่ามันเป็นเหมือนการคาดเดา พออ่านจบแล้วผมก็วางไว้เฉยๆ” ศาสตราจารย์ Philip Kim นักฟิสิกส์ทดลองของมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด (เชื้อชาติเกาหลีใต้) ซึ่งถือกันว่าเปรียบเหมือนอาจารย์ใหญ่ของวงการแผ่นกราฟีนคู่ที่ถูกบิดเชิงทดลอง (ศาสตราจารย์ Dean  กับศาสตราจารย์ Jarillo-Herrero เคยไปทำ postdoc อยู่กับศาสตราจารย์ Kim) ก็มีความเห็นไปในทางเดียวกัน “ตอนนั้นผมคิดว่าทฤษฎีของอาจารย์ Allan ง่ายเกินไป และเนื่องจากผมเป็นนักทดลอง ผมก็คิดว่าแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะควบคุมการบิดมุมเล็กขนาดนั้นให้แม่นยำได้เพียงพอ”

  

       

 

รูปที่ 6 (ซ้าย) ศาสตราจารย์ Jarillo-Herrero กับลูกศิษย์ปริญญาเอกที่ห้องปฏิบัติการวิจัยใน MIT และ (ขวา) อุปกรณ์ที่ทีมของศาสตราจารย์ Jarillo-Herrero สร้างขึ้นเพื่อใช้ศึกษาฟิสิกส์ของแผ่นกราฟีนคู่ที่ถูกบิด [2]

 

       ส่วนที่ห้องปฏิบัติการวิจัยหนึ่งในภาควิชาฟิสิกส์ของ MIT ศาสตราจารย์ Jarillo-Herrero และทีมงานก็กำลังง่วนอยู่กับการทดลองศึกษาแผ่นกราฟีนคู่ที่ถูกบิดเช่นกัน และแล้วบทความดังกล่าวข้างต้นของศาสตราจารย์ MacDonald กับดร. Bistritzer ก็เกิดไปสะดุดตาของศาสตราจารย์ Jarillo-Herrero เข้า การตรวจสอบเชิงทดลองจึงได้เริ่มต้นขึ้นทั้งๆที่มีเพื่อนร่วมงานมาเตือนว่าจะเสียเวลาเปล่า การทดลองในเรื่องนี้ไม่ได้ง่ายเลยจริงๆ โดยเฉพาะเมื่อยังไม่เคยมีใครทำมาก่อนด้วย แผ่นกราฟีนที่ผลิตขึ้นจะต้องสะอาดที่สุด ปราศจากมลทินปนเปื้อนใดๆ และต้องมีความสม่ำเสมอสูง การนำแผ่นกราฟีนมาซ้อนใกล้กันแล้วทดลองบิดก็มีปัญหามากเช่นกัน เพราะทั้งสองแผ่นชอบที่จะซ้อนแบบเรียงไปในทางเดียวกัน แต่เมื่อแผ่นกราฟีนบางมาก การพยายามบิดจึงมักเกิดการเสียรูป  นอกจากนั้นเพื่อป้องกันการปนเปื้อนจึงต้องทำการทดลองในสภาพสุญญากาศ อีกทั้งยังต้องทำที่อุณหภูมิต่ำมากใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์เพื่อเพิ่มความชัดเจนในการสังเกตุการสหสัมพันธ์ของอิเล็กตรอน ศาสตราจารย์ Dmitri Efetov หัวหน้ากลุ่มวิจัย Low-Dimensional Quantum Materials ของ Institute of Photonic Sciences (ICFO) ที่เมืองบาร์เซโลน่า ประเทศสเปนอธิบายว่าเมื่ออิเล็กตรอนวิ่งช้าลงมาก จะเกิดมีสหสัมพันธ์ระหว่างกันที่รุนแรง อิเล็กตรอนจะเข้าจับคู่กัน ฟอร์มตัวเป็น superfluid อิเล็กตรอนที่อยู่ในสถานะเหมือนของไหล (fluid) นี้เองที่เป็นแกนหลักของเรื่องตัวนำยวดยิ่งทั้งหมด

 

       ทีมงาน MIT พยายามทดลองอย่างไร้ผลอยู่เกือบ 6 ปี จนมาถึงฤดูร้อนของปีพ.ศ. 2560 นักศึกษาปริญญาเอกคนหนึ่งของศาสตราจารย์ Jarillo-Herrero ชื่อ Yuan Cao (รูปที่ 7) ได้แสดงให้อาจารย์ดูว่าเมื่อใช้ความเข้มสนามไฟฟ้าค่าหนึ่งแผ่นกราฟีนคู่กลายสภาพเป็นฉนวนไฟฟ้า แต่เมื่อเพิ่มความเข้มสนามไฟฟ้าขึ้นไปอีก แผ่นกราฟีนคู่กลับเปลี่ยนไปเป็นตัวนำยวดยิ่งในทันที Euraka ! ค้นพบแล้วในที่สุด ทีมงานใช้เวลาอีกหลายเดือนในการทำการทดลองซ้ำๆให้แน่ใจและศึกษาผลการทดลองให้เข้าใจอย่างทะลุปรุโปร่ง ทั้งหมดทำอย่างเป็นความลับที่สุด ทีมงานได้พบว่าผลการทดลองชนิดเบรคทรู (breakthrough) นี้สอดคล้องกับผลการทำนายของศาสตราจารย์ MacDonald กับดร. Bistritzer เป็นอย่างดี และได้เผยแพร่ผลงานในบทความชื่อ “Unconventional Superconductivity in Magic-angle Graphene Superlattices” ที่ศาสตราจารย์ Jarillo-Herrero ตีพิมพ์ร่วมกับทีมงานอีก 6 คน ในวารสาร Nature เมื่อวันที่ 5 มีนาคม พ.ศ. 2561 โดยมี Yuan Cao เป็นชื่อต้น ซึ่งถือได้ว่าเป็นผลงานปฏิวัติวงการฟิสิกส์ได้อีกชิ้นหนึ่ง หลังจากนั้นบทความวิชาการเกี่ยวกับเรื่องนี้ก็ไหลบ่าทะลักออกมาจากห้องปฏิบัติการวิจัยทั่วโลก จนเกิดแขนงองค์ความรู้ใหม่ที่เรียกขานกันว่า “ทวิสทรอนิกส์ (twistronics)” ที่หมายถึงการศึกษาความเป็นไปได้ในการปรับแต่งพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในวัสดุ 2 มิติโดยการแปรค่ามุมบิดระหว่างสองแผ่นกราฟีนที่ซ้อนชิดกัน การปรับแต่งโดยการบิดเยี่ยงนี้เป็นเรื่องใหม่ที่ไม่เคยมีมาก่อนในวงการฟิสิกส์สสารควบแน่น (Condensed Matter Physics)

 

       เมื่อศาสตราจารย์ Jarillo-Herrero ส่งข่าวให้ศาสตราจารย์ MacDonald ทราบทางอีเมล์ก่อนที่บทความจะตีพิมพ์ออกมาอย่างเป็นทางการ ศาสตราจารย์ MacDonald ดีใจมาก และกล่าวว่า “ผมแทบจะไม่เชื่อสายตาตัวเอง มันเหลือเชื่อจริงๆ” ท่านไม่เคยรู้ระแคะระคายมาก่อนว่าศาสตราจารย์ Jarillo-Herrero และทีมงานใช้เวลาหลายปีทำการทดลองอย่างคร่ำเคร่งตามแรงบันดาลใจจากบทความเมื่อปีพ.ศ. 2554 ของท่าน

 

 

รูปที่ 7 Yuan Cao อายุ 22 ปี เกิดที่เมืองเฉิงตู มณฑลเสฉวน ในประเทศจีน เรียนจบปริญญาตรีเมื่อตอนอายุ 18 ปีจาก University of Science and Technology of China (USTC) ที่เมืองเหอเฝ่ย มณฑลอันฮุย หลังจากนั้นในปีพ.ศ. 2557 ได้ไปเรียนต่อปริญญาเอกที่ MIT โดยมีศาสตราจารย์ Jarillo-Herrero เป็นอาจารย์ที่ปรึกษา ขณะนี้ยังไม่ได้ตัดสินใจว่าจะไปต่อ postdoc ที่ใด แต่ที่แน่ๆกำลังเนื้อหอมมาก ห้องปฏิบัติการวิจัยชั้นนำของโลกหลายแห่งต่างต้องการคว้าตัว (ที่มารูป: https://global.chinadaily.com.cn/a/201812/20/WS5c1ad892a3107d4c3a001bf7.html)

 

       การค้นพบนี้เป็นการไขกุญแจเปิดประตูสู่การประดิษฐ์วัสดุตัวนำยวดยิ่ง (superconductor) มนุษย์มีความฝันเสมอมาที่จะค้นพบวัสดุตัวนำยวดยิ่งที่เป็นตัวนำไฟฟ้าที่อิเล็กตรอนจะวิ่งอยู่ภายในโดยไม่มีการสูญเสียพลังงาน หรือมีความต้านทานกระแสไฟฟ้า (resistance) เป็นศูนย์ (รูปที่ 8)  ในปีพ.ศ. 2454 Heike Kamerlingh Onnes นักฟิสิกส์ชาวดัตช์ ได้ค้นพบว่าปรอท (mercury หรือ Hg) ซึ่งเป็นตัวนำไฟฟ้าธรรมดาที่อุณหภูมิห้องจะกลายเป็นตัวนำไฟฟ้ายวดยิ่ง ถ้าถูกแช่เย็นให้มีอุณหภูมิต่ำมากในระดับฮีเลี่ยมเหลวที่อุณหภูมิ -269 เซลเซียส (ศาสตราจารย์ Onnes เลือกทดลองกับปรอทบริสุทธิ์เพราะต้องการตัดปัญหาเรื่องมลทินต่างๆในเนื้อโลหะ) แต่ฮีเลี่ยมเหลวทำยากและแพงกว่าการทำน้ำแข็งมากมายหลายเท่า มนุษย์จึงฝันถึงตัวนำไฟฟ้ายวดยิ่งที่อุณหภูมิสูงกว่านี้ ยิ่งใกล้เคียงอุณหภูมิห้องเท่าใดยิ่งดีเท่านั้น ความฝันอันสูงสุดก็คือตัวนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิห้อง (ประมาณ 20-22 เซลเซียส) ซึ่งถ้าฝันเป็นจริงวันใดจะเกิดการปฏิวัติด้านพลังงานอย่างมโหฬาร ปัจจุบันพลังงานไฟฟ้าจากโรงผลิตไฟฟ้าที่ส่งเข้าเมืองจนมาถึงบ้านเรือนของประชาชนต้องสูญเสียไปเปล่าๆประมาณ 8-15% ก็เพราะสายไฟฟ้าเป็นตัวนำไฟฟ้าธรรมดาที่ยังมีความต้านทานกระแสไฟฟ้า ส่วนห้องที่ติดตั้งเครื่องซูเปอร์คอมพิวเตอร์หรือห้องเซิร์ฟเวอร์ (server room) ทั้งหลายก็ต้องเปิดเครื่องปรับอากาศให้เย็นประมาณ 20-22 เซลเซียสอยู่ตลอดเวลา เพราะก็ปัญหา Joule heating (หรือ Ohmic heating) นี้ที่ทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆเกิดความร้อนเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ถ้าไม่มีการระบายความร้อนก็จะเกิดการสะสมของความร้อนที่สามารถก่อให้เกิดความเสียหายกับ CPU หรือทำให้ข้อมูลที่เก็บไว้สูญหายได้ การที่ต้องระบายความร้อนให้ทั้งวันทั้งคืนดังกล่าวเป็นโสหุ้ยที่ถือว่าสูงทีเดียว

 

 

รูปที่ 8 วิวัฒนาการของวัสดุตัวนำยวดยิ่งนับตั้งแต่มีการค้นพบโดยศาสตราจารย์ Onnes วัสดุที่เปลี่ยนสถานะเป็นตัวนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิต่ำกว่า 39 K (39 เคลวิน หรือ -234.15 เซลเซียส) จัดอยู่ในจำพวกวัสดุตัวนำยวดยิ่งแบบสามัญ (conventional superconductor) เพราะมีพฤติกรรมสอดคล้องกับทฤษฎี BCS  ส่วนวัสดุพวกที่มีพฤติกรรมไม่สอดคล้องกับทฤษฎี BCS จะเรียกว่าวัสดุตัวนำยวดยิ่งแบบไม่สามัญ (unconventional superconductor) เช่นได้แก่กลุ่มคิวเพรต (cuprate) ทั้ง 5 ชนิดที่อยู่เหนือเส้นอุณหภูมิของไนโตรเจนเหลวในรูป (เส้นนอนสีแดงที่ 77 เคลวิน หรือ -196.15 เซลเซียส) วัสดุกลุ่มคิวเพรตเหล่านี้เป็นตัวนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิสูงกว่าวัสดุตัวนำยวดยิ่งแบบสามัญมาก (ที่มารูป: https://www.researchgate.net/figure/The-evolution-of-critical-temperatures-since-the-discovery-of-superconductivity_fig2_272487977)

 

       วัสดุที่ใกล้เคียงความฝันที่สุดที่มีอยู่ในมือในช่วงที่ผ่านมาก็คือคิวเพรต (รูปที่ 8) ที่จะกลายเป็นวัสดุตัวนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิสูงกว่าไนโตรเจนเหลว แต่เวลาผ่านไปแล้วกว่า 30 ปี นักวิทยาศาสตร์กลับยังคงมีความรู้เกี่ยวกับเจ้าคิวเพรตนี้น้อยมาก อุปสรรคสำคัญก็คือวัสดุอย่างคิวเพรตประกอบจากอะตอมหลายชนิดมาก และเมื่อต้องการแปรค่าความหนาแน่นของอิเล็กตรอนอิสระก็หมายถึงต้องมีการโด๊ป (dope) อะตอมมลทินเข้าไป ซึ่งก็เปรียบได้กับการเปลี่ยนไปเป็นวัสดุใหม่ นั่นคือเป็นระบบที่มีความซับซ้อนสูงมาก ยากต่อการจำลองเพื่อการคำนวณ ในแง่ของการทดลองก็เป็นเรื่องยุ่งยากเช่นกัน กล่าวคือการ dope อะตอมมลทินแต่ละค่าแต่ละครั้งต้องใช้เวลาเตรียมการนับเดือนและเสียเงินหลายแสนบาท เมื่อรากเหง้าไม่แข็งแรงสมบูรณ์อย่างนี้ ก็เป็นการยากที่จะเกิดการพัฒนาจนสามารถออกดอกออกผลเป็นวัสดุชนิดใหม่ที่มีสมบัติดีกว่าเดิมได้ และนี่คือสาเหตุสำคัญอีกประการของความตื่นเต้นในวงการวิทยาศาสตร์เมื่อเกิดการค้นพบ”มุมอัศจรรย์” ของแผ่นกราฟีนคู่ ด้วยการค้นคว้าพัฒนาตัวนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิสูงทั้งในแง่ทฤษฎีและการทดลองจะทำได้ง่ายขึ้นมาก เพราะกราฟีนเป็นวัสดุที่ประกอบจากอะตอมเพียงชนิดเดียวเท่านั้นคือคาร์บอน จึงคำนวณง่ายกว่าและสิ้นเปลืองเวลากับงบประมาณในการทดลองน้อยกว่ามาก การจะเพิ่มอิเล็กตรอนอิสระทำได้ง่ายๆและถูกมากด้วยเพียงแต่เอื้อมมือไปเปิดสวิตซ์ไฟเพิ่มศักย์ไฟฟ้า หรือเพิ่มแรงกดดันเพื่อลดระยะห่างระหว่างแผ่นกราฟีน หรือเปลี่ยนมุมบิด ซึ่งใช้เวลาเตรียมการในเรือนชั่วโมงเท่านั้น

 

       ศาสตราจารย์ Efetov ได้กล่าวไว้ว่า “กล่องแพนดอรา (pandora box) ได้ถูกเปิดออกแล้ว” นับแต่นี้จะมีสิ่งใหม่ๆที่น่าสนใจและมีประโยชน์เกิดขึ้นอีกมากที่อาจส่งผลเป็นการปฏิวัติวงการอิเล็กทรอนิกส์และย่นระยะเวลาของการกำเนิดคอมพิวเตอร์ควอนตัม

 

เอกสารอ้างอิง

 

1.กราฟีน: วัสดุมหัศจรรย์ ประโยชน์อนันต์”, 14 พค. 2562, คอลัมน์: ฟิสิกส์ในชีวิตประจำวัน / อนาคต, ที่เว็บไซต์: www.thep-center.org

2. Elizabeth Gibney, “How ‘Magic Angle’ Graphene is Stirring Up Physics”, Nature, 2 January 2019, ที่เว็บไซต์: https://www.nature.com/articles/d41586-018-07848-2