โครงการวิจัย 2.3 : การศึกษาเชิงทฤษฎีของอะตอมริดเบอร์ก อันตรกิริยากับอะตอมสถานะพื้น และการแทรกสอดในสนามภายนอก

โครงการวิจัย 2.3 : การศึกษาเชิงทฤษฎีของอะตอมริดเบอร์ก อันตรกิริยากับอะตอมสถานะพื้น และการแทรกสอดในสนามภายนอก

โครงการวิจัยนี้ จะมุ่งไปที่การวิเคราะห์เชิงทฤษฎีด้วยกลศาสตร์ควอนตัม ถึงพฤติกรรมของอะตอมรูบิเดียม เมื่อถูกกระตุ้นให้อยู่ในสถานะริดเบอร์กธาตุในหมู่ 1 อาทิ ไฮโดรเจน โซเดียม หรือ รูบิเดียม จะมีอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดเพียงตัวเดียว และ เมื่ออิเล็กตรอนดังกล่าวถูกกระตุ้นให้ไปอยู่ในระดับพลังงานสูงมาก ยกตัวอย่างเช่น n = 137 อิเล็กตรอนจะถูกผลักออกมาให้อยู่ไกลจากนิวเคลียสถึงกว่า 1 ไมครอน ส่งผลให้อะตอมในสภาวะ “ริดเบอร์ก” มีขนาด ใหญ่มาก เมื่อเทียบกับขนาดประมาณ 1 อังสตรอม ในสภาวะปกติ  และการที่อยู่ไกลจากนิวเคลียสเป็นพิเศษ จึงได้รับแรงดึงดูดที่อ่อนมาก ส่งผลให้มีความว่องไวสูง ต่อสนามภายนอกที่เข้ามาเกี่ยวข้อง เป็นที่มาของสมบัติทางฟิสิกส์ที่มีขนาดสูงมาก เมื่อเทียบกับอะตอมทั่วไป อาทิ สมบัติไดโพลโมเมนต์ มีค่าเพิ่มสูงกว่าสภาวะปกติถึง 100 เท่า  งานวิจัยเมื่อปี พ.ศ. 2558 “Measurement and Numerical Calculation of Rubidium Rydberg Stark Spectra” โดย Grimmel และคณะ [1] ได้ทําการศึกษาทั้งการทดลองและเชิงทฤษฎีควอนตัม ถึงอันตรกิริยาระหว่างอะตอมริดเบอร์กและสนามไฟฟ้า เรียกอันตรกิริยานี้โดยทั่วไปว่า Stark Effect ซึ่งงานชิ้นนี้สามารถใช้เป็นตัวทดสอบเบื้องต้น ในการพัฒนาโปรแกรมคอมพิวเตอร์ตลอดจนการคํานวณเชิงตัวเลข เพื่อเป็นฐานในการศึกษาระบบที่ซับซ้อนขึ้น เรียกว่าโมเลกุลผีเสื้อของริดเบอร์ก Niederprüm และคณะ [2] สามารถสร้างโมเลกุลลักษณะพิเศษในห้องทดลอง กล่าวคือเป็นพันธะเคมีระหว่างอะตอมรูบิเดียมในสถานะริดเบอร์ก และอะตอมรูบิเดียมในสถานะพื้นปกติ เกิดเป็นโมเลกุลขึ้นโดยมีรูปแบบการกระจายตัวของอิเล็กตรอนโดยรอบคล้ายกับปีกผีเสื้อซึ่งโมเลกุลดังกล่าวมีความเสถียร (life-time) สามารถอยู่ได้ในระดับหลายสิบไมโครวินาที

เพื่อเป็นส่วนหนึ่งของโปรแกรมวิจัย Innovative Quantum Physics for Oil and Gas Exploration โครงการวิจัยมุ่งเน้นในส่วนของการศึกษาทางทฤษฎี โดยใช้กลศาสตร์ควอนตัมมาศึกษาพฤติกรรมของอะตอมรูบิเดียม เมื่อถูกกระตุ้นด้วยเลเซอร์ให้อยู่ในสถานะพลังงานสูงเรียกว่า สถานะริดเบอร์ก ซึ่งอะตอมในสถานะดังกล่าวสามารถมีอันตรกิริยากับสนามภายนอก หรืออยู่รวมเป็นโมเลกุลกับอีกอะตอมในสถานะพื้น อีกทั้งยังมีพฤติกรรมเชิงควอนตัมเป็นคลื่น มีการแทรกสอด และประยุกต์ใช้เป็นเครื่องมือในการวัดสนามโน้มถ่วงของโลกได้อย่างละเอียด มีศักยภาพในการทําแผนที่ทรัพยากรนํ้ามันหรือแร่เศรษฐกิจใต้ดิน ในทางเทคนิค วัตถุประสงค์ของโครงการวิจัยนี้ก็คือ

1) ศึกษาสมบัติทางกายภาพของอะตอมริดเบอร์ก และ อันตรกิริยากับอะตอมสถานะพื้น

2) เพื่อศึกษาพลศาสตร์ของอะตอมที่อยู่ภายใต้สนามภายนอก และ

3) ศึกษาการแทรกสอดของอะตอมริดเบอร์ก ณ อุณหภูมิใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์เพื่อการประยุกต์ใช้ในการวัดค่าความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก

 เอกสารอ้างอิง

[1] J. Grimmel, et al., “Measurement and Numerical Calculation of Rubidium Rydberg Stark Spectra”, New Journal of Physics 17.5(2015)053005.

[2] T. Niederprum, et al., “Observation of Pendular Butterfly Rydberg Molecules”, Nature Communications 7(2016).

หัวหน้าโครงการ: ดร. ทีปานิส ชาชิโย¹⁾

นักวิจัยสมทบ: ดร. หทัยทิพย์ ชาชิโย²⁾

หน่วยงานต้นสังกัด: 1) ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยนเรศวร, 2) ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยนเรศวร