ปรากฏการณ์ทางควอนตัมที่ทำให้สสารล่องหนได้สำเร็จเป็นครั้งแรก


61

ทีมนักฟิสิกส์จากสถาบันเทคโนโลยีแห่งแมสซาชูเซตส์หรือเอ็มไอที (MIT) ของสหรัฐฯ ทำการทดลองทางควอนตัมที่ให้ผลเป็นภาวะโปร่งใสเกือบสมบูรณ์แบบของสสารได้สำเร็จเป็นครั้งแรก 

หลักการทางกลศาสตร์ควอนตัมดังกล่าวระบุว่า หากทำให้กลุ่มหมอกของสสารในสถานะก๊าซเย็นจัดจนเข้าใกล้อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ (-273.15 องศาเซลเซียส ) รวมทั้งทำให้มันมีความหนาแน่นสูงพอ กลุ่มหมอกนั้นจะสะท้อนและกระเจิงแสงได้ลดลงเรื่อย ๆ จนผู้ทำการทดลองเห็นว่ามัน "ล่องหน" หายไปจากสายตาในที่สุด

 

ปรากฎการณ์ดังกล่าวเรียกว่า Pauli blocking หรือการยับยั้งการกระเจิงแสงของเพาลี ซึ่งเป็นปรากฎการณ์หนึ่งที่นักฟิสิกส์ชาวออสเตรียชื่อเดียวกันได้ทำนายเอาไว้เมื่อปี 1925 โดยเขาระบุว่าการล่องหนของก๊าซสามารถเกิดขึ้นได้ เมื่ออะตอมของก๊าซสูญเสียคุณสมบัติตามธรรมชาติในการกระเจิงแสงไป

 


สาเหตุที่ทำให้เป็นเช่นนั้นสามารถอธิบายได้ด้วยหลักการกีดกันของเพาลี (Pauli exclusion principle) ซึ่งชี้ว่าอนุภาคเฟอร์มิออนสองตัวที่เหมือนกัน ไม่อาจจะอยู่ในสถานะควอนตัมหรือระดับพลังงานเดียวกันได้ ทำให้อนุภาคเหล่านี้แยกกันเข้าครอบครองระดับพลังงานต่าง ๆ ภายในอะตอมจนเต็ม โดยอนุภาคที่อยู่ในระดับพลังงานสูงสุดและห่างจากนิวเคลียสมากที่สุด จะสามารถเคลื่อนไหวตอบสนองกับอนุภาคของแสงหรือโฟตอนที่เข้ามากระทบ จนเกิดการกระเจิงแสงขึ้น

 

อย่างไรก็ตาม อนุภาคในอะตอมของก๊าซที่เย็นจัดจนเข้าใกล้อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์นั้น สามารถเข้าครอบครองได้แต่ระดับพลังงานที่ต่ำมาก ทำให้ไม่มีอนุภาคในระดับพลังงานที่สูงพอจะเคลื่อนไหวตอบสนองกับโฟตอนได้ โฟตอนจึงต้องเคลื่อนผ่านไปโดยไม่เกิดการกระเจิงแสง

 

 

รายงานวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสาร Science ฉบับล่าสุด ระบุว่าทีมนักวิทยาศาสตร์ของเอ็มไอทีได้ทดลองใช้เลเซอร์ ทำให้อะตอมของลิเทียมในสถานะก๊าซเคลื่อนไหวช้าลงจนมีอุณหภูมิลดต่ำเหลือเพียง 20 ไมโครเคลวิน ซึ่งถือว่าสูงกว่าอุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์เพียงเล็กน้อย

 

จากนั้นผู้ทำการทดลองได้ใช้อุปกรณ์เลเซอร์ที่มีความแม่นยำสูงอีกชุดหนึ่ง ทำหน้าที่เป็นคีมบีบอัดให้อะตอมของก๊าซลิเทียมอยู่ในพื้นที่แคบ จนมีความหนาแน่นถึง 1 ควอดริลเลียนอะตอม (เลข 1 ตามด้วยเลข 0 จำนวน 15 ตัว) ต่อลูกบาศก์เซนติเมตร

 

ผลปรากฏว่ากลุ่มหมอกของก๊าซลิเทียมในภาวะดังกล่าวดูโปร่งใสขึ้น โดยผลตรวจนับอนุภาคโฟตอนหรือแสงที่เกิดการกระเจิงผ่านกล้องความไวสูงยืนยันว่า มีโฟตอนชนิดนี้ลดน้อยลงในการทดลอง ส่งผลให้กลุ่มหมอกก๊าซลิเทียมมีการกระเจิงแสงลดต่ำลงถึง 38% เมื่อเทียบกับสสารแบบเดียวกันในอุณหภูมิห้อง

 

การทดลองนี้มีศักยภาพในการพัฒนาวัสดุที่ยับยั้งอนุภาคของแสง ซึ่งจะเป็นประโยชน์อย่างยิ่งต่อการทำงานของคอมพิวเตอร์ควอนตัมประสิทธิภาพสูงในอนาคต เนื่องจากการทำให้เกิดปรากฎการณ์ดังข้างต้น จะป้องกันไม่ให้คอมพิวเตอร์สูญเสียข้อมูลควอนตัมไปกับโฟตอน ซึ่งเป็นปัญหาใหญ่ในการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมในทุกวันนี้

 

 

 

 

 

 

ที่มา Thai BBC


61