กลศาสตร์ควอนตั้มและแนวคิดควอนตั้ม

ก่อนหน้าศตวรรษที่ 20 หลักการทางฟิสิกส์เกี่ยวกับสสารและวัตถุยึดถือตามแนวคิดและสูตรของนิวตั้น ซึ่งเป็นพื้นฐานของทฤษฎีกลศาสตร์คลาสสิก กฎเหล่านี้สามารถอธิบายการเคลื่อนที่ของวัตถุได้อย่างแม่นยำ ไม่ว่าจะเป็นการเคลื่อนที่ของรถยนต์ วิถีของลูกฟุตบอลหรือผลจากแรงโน้มถ่วงที่มีต่อดวงดาว แต่เมื่อนักฟิสิกส์ศึกษาโครงสร้างในระดับที่เล็กลงในระดับนาโนหรือเล็กกว่า ทฤษฎีคลาสสิกไม่สามารถอธิบายได้ อะตอมไม่ได้มีอิทธิพลเหมือนดวงดาวในระบบสุริยะ และอิเล็กตรอนมีคุณสมบัติที่แปลกประหลาดโดยเป็นทั้งคลื่นและอนุภาค จากการค้นพบและความก้าวหน้าที่เกิดขึ้นในระยะหลังทำให้เกิดทฤษฎีใหม่เข้าแทนที่หลักการบางด้านของทฤษฎีคลาสสิก เรียกว่ากลศาสตร์ควอนตั้ม
กลศาสตร์ควอนตั้มเป็นแนวคิดที่ครอบคลุมหลายสิ่งที่น่าสนใจ อลังการ และท้าทาย โดยเฉพาะในระดับที่เล็กจิ๋ว พลังงานและประจุที่สสารได้รับไม่ได้มีลักษณะเป็นกระแสที่ต่อเนื่องไม่มีที่สิ้นสุด แต่การรับพลังงานเป็นไปในลักษณะเป็นก้อนคงที่ทีละก้อน ทีละก้อน ก้อนพลังงานเหล่านี้เรียกกันว่า ควอนต้า (quanta พหูพจน์ของควอนตั้ม) ถ้าเกี่ยวข้องกับพลังงาน และจะเรียกเป็นหน่วยประจุไฟฟ้าถ้าเกี่ยวข้องกับประจุไฟฟ้า ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงประจุของอิออนจะทำได้โดยการเพิ่มหรือลดอิเล็กตรอนทีละตัว เป็นไปไม่ได้ที่จะเพิ่มหรือลดอีเล็กตรอนทีละครึ่งตัว ความหมายอย่างง่ายของ ควอนตั้ม ก็คือ จำนวนที่นับได้นั่นเอง เพราะสารในโลกอะตอมเราจะนับเป็นจำนวนอะตอมๆ ไป จะเป็นไปไม่ได้ว่าจะมาขอกันครึ่งอะตอม
วิถีแห่งควอนตั้มไม่ใช่วิถีปกติของโลกที่เรารู้จักคุ้นเคย ตามปกติเราจะคิดถึงไฟฟ้าเป็นกระแสที่ต่อเนื่อง เราคิดถึงแรงที่กระทบลูกบอลหรือลูกบิลเลียดเป็นลักษณะหนักหรือเบา เป็นความแรงที่ต่อเนื่อง ยิ่งถ้าเราใช้แรงกระแทกมาก ลูกบอลหรือลูกบิลเลียดก็ยิ่งพุ่งออกไปเร็วขึ้น อย่างไรก็ตามมีบางตัวอย่างในชีวิตประจำวันที่เปรียบได้กับวิถีแห่งควอนตั้ม นั่นคือปริมาณเงิน โดยทั่วไปเรานับเงินเป็นหน่วยๆ เสมอ ไม่ว่าจะเป็นหน่วยใหญ่หรือหน่วยเล็กก็ตาม เราไม่สามารถแยกสลายหน่วยเงินลงเป็นกระแสที่ไม่มีปริมาณคงที่
หลักการควอนตั้มถูกนำไปใช้เป็นหลักการพื้นฐานในการอธิบายพฤติกรรม/คุณสมบัติของโครงสร้างนาโนหลายๆ ด้าน ตัวอย่างเช่น การกำหนดว่าสายส่งกระแสจะมีขนาดเล็กสุดแค่ไหน โดยที่ยังสามารถส่งประจุไฟฟ้าได้ หรือจะให้พลังงานแก่โมเลกุลได้มากสักเท่าใด โดยไม่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสถานะของประจุ หรือสถานะที่เป็นหน่วยความจำ
กลศาสตร์ควอนตั้มมีความสำคัญต่อนาโนเทคโนโลยีหลายๆ ด้าน รวมทั้งการทำความเข้าใจในแง่มุมทางออพติกส์ (optics) ซึ่งได้แก่การที่แสงมีปฏิสัมพันธ์กับวัตถุ ตัวอย่างเช่น โมเลกุลขนาดใหญ่ที่มีชื่อว่า phthalocyanine เป็นตัวทำให้เกิดสีน้ำเงินในกางเกงยีน เมื่อเปลี่ยนโครงสร้างเลขาคณิตหรือโครงสร้างทางเคมีจะทำให้กลายเป็นสีเขียวหรือสีม่วง การเปลี่ยนแปลงสีเกิดจากขนาดของควอนต้าแสงที่มีปฏิสัมพันธ์กับโมเลกุลที่เปลี่ยนแปลงไป ซึ่งส่งผลต่อการรับภาพสีของสายตาเช่นเดียวกับการเปล่งสีเขียวหรือเหลืองของหลอดฟลูออเรสเซนต์ ซึ่งขึ้นอยู่กับโมเลกุลหรือโครงสร้างนาโนที่ตัวหลอด ดังนั้นเราจึงเห็นทองมีสีเปลี่ยนแปลงไปเมื่อมีขนาดเล็กลงในระดับจิ๋ว เครื่องมือที่ใช้ในงานนาโนเทคโนโลยี
1. เครื่อง Scanning Tunneling Microscope (STM) อย่างที่ทราบกันดีแล้วว่านาโนเทคโนโลยี เกี่ยวกับการจัดเรียงตัวของอนุภาคขนาดเล็ก เช่น อะตอมหรือ โมเลกุลเข้าด้วยกัน ดังนั้นเครื่องมือที่ใช้จึงต้องมีความสามรถในการมองเห็นอะตอมได้ ซึ่ง ดร. เกิร์ด บินนิก (Gerd Binnig) และ ดร. ไฮริกช์ รอเรอร์ (Heinrich Rohrer) เป็นผู้ประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์ชนิดพิเศษขึ้นมาที่เรียกว่า Scanning Tunneling Microscope หรือที่เรียกย่อว่า STM ซึ่งสามารถให้เราได้เห็นภาพของอะตอมเป็นครั้งแรก ในปี ค.ศ. 1981 และได้รับรางวัลโนเบลจากผลงานนี้ในปี ค.ศ. 1986
กล้องนี้ทำงานด้วยการใช้ความต่างศักย์และกระแสไฟฟ้าบังคับปลายเข็มที่แหลมมาก หัวเข็มนี้เป็นหัวอ่านขนาดจิ๋วที่ใช้ส่องกวาด (สแกน) บนพื้นผิวของโลหะที่เป็นตัวนำไฟฟ้าและวัดกระแสไฟฟ้าแล้วส่งสัญญาณไฟฟ้าเพื่อมาสร้างเป็นภาพของพื้นผิวนั้นได้ ซึ่งก็เป็นวิธีการคล้ายกับการทำงานของเครื่องเล่นแผ่นเสียงที่แปลงข้อมูลที่ฝังอยู่บนแผ่นมาเป็นสัญญาณไฟฟ้าและเป็นเสียงหรือภาพในที่สุด
นอกจาก STM จะทำให้เราสามารถมองเห็นอะตอมได้เป็นครั้งแรกแล้ว เครื่องมือนี้ยังสามารถนำมาใช้เคลื่อนย้ายและจัดเรียงอะตอมให้อยู่บนพื้นผิวตามตำแหน่งที่ต้องการ ซึ่งในปี ค.ศ. 1989 ดร. ดอน ไอเกลอร์ (Don Eigler) นักฟิสิกส์จากบริษัท ไอบีเอ็ม จำกัด เป็นผู้แรกที่สาธิตการนำอะตอม 35 อะตอม ของก๊าซซีนอน (xenon) มาเรียงบนผิวของโลหะนิเกิล (nickel) เป็นตัวอักษร IBM ที่เล็กที่สุดในโลกอีกทั้ง ดร.ไอเกลอร์ และทีมงานยังสามารถสร้างกับดักอิเล็กตรอนที่เรียกว่า “ปะการังควอนตัม” (quantum corral) ทำให้เห็นภาพปฏิกิริยาตอบสนองของคลื่นอิเล็กตรอนและคุณสมบัติทางควอนตัมได้เป็นครั้งแรกโดยการวางอะตอมของธาตุเหล็ก 48 อะตอม เป็นรูปวงกลมบนแผ่นผิวโลหะของธาตุทองแดง อะตอมของธาตุเหล็ก 48 อะตอม
หลักการและขั้นตอนในการใช้เครื่อง STM แบ่งเป็น 2 วิธีการหลักกล่าวคือ 1. การสแกนภาพอะตอม (Atom Imaging Mode) วิธีนี้เป็นการใช้หัวเข็ม STM ที่แหลมมากในการสแกนไปบนพื้นผิวของโลหะที่มีอะตอมวางอยู่ การบังคับปลายเข็มทำได้โดยใช้ความ ต่างศักย์และกระแสไฟฟ้าในการกระตุ้นผลึกเซรามิกส์ที่ยึดติดกับหัวเข็มให้หดหรือคลายตัว โปรแกรมคอมพิวเตอร์สามารถนำมาใช้ในการใส่ข้อมูลหรือตัวแปรที่ต้องการควบคุม ตัวอย่างเช่น พื้นที่ในการสแกน ค่าความต่างศักย์และกระแสไฟฟ้า เป็นต้น ในขณะการสแกน สัญญาณไฟฟ้าจะถูกนำมาสร้างเป็นภาพจำลองของพื้นผิวนั้นได้ 2. การเคลื่อนย้ายอะตอม (Atom Manipulation Mode) วิธีนี้จะใช้หัวเข็มในการหยิบอะตอมและเคลื่อนย้ายไปวาง ณ จุดที่ต้องการ การเคลื่อนย้ายอะตอมทำได้โดยโดยควบคุมความ ต่างศักย์และกระแสไฟฟ้าควบคุมปลายหัวเข็มของ STM นำไป “ผลัก” และเคลื่อนย้ายอะตอมไปวาง ณ จุดที่ต้องการแล้วจำลองหลักการการจัดเรียงอะตอม
ปัจจัยที่จะนำไปสู่ความสำเร็จในการเคลื่อนย้ายอะตอมมีอยู่หลายปัจจัยด้วยกัน ตัวอย่างเช่น ปลายหัวเข็มอุปกรณ์เครื่องมือที่ใช้ต้องมีความแหลมคมอย่างยิ่งยวด ผิวโลหะที่วางอะตอมต้องมีความสะอาดสูงปราศจากสิ่งปนเปื้อน เป็นต้น
เมื่อไม่นานมานี้ทางทีมนักวิจัยของ ดร. ดอน ไอเกลอร์ที่ IBM Almaden Research Center ได้ร่วมมือกับนักวิจัยไทยจากศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ (นาโนเทค) ใช้นาโนเทคโนโลยีในการจัดเรียงตัวคาร์บอนมอน็อกไซด์ (CO) จำนวน 50 โมเลกุล เขียนลงบนผิวของโลหะทองแดง (Cu) เป็นพระภรมาภิไทยย่อ ภ.ป.ร. เพื่อเทิดพระเกียรติพระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวฯ ในฐานะที่เป็นพระบิดาแห่งเทคโนโลยีไทย ซึ่งนับเป็นครั้งแรกของประวัติศาสตร์โลกที่อักษรไทยได้ถูกจารึกไว้ในระดับอะตอม พระภรมาภิไทยย่อ ภ.ป.ร. นี้มีขนาดความยาว 14 นาโนเมตร และความสูง 7 นาโนเมตร ตัวอักษร “ภ” เขียนด้วยคาร์บอนมอน็อกไซด์ 17 โมเลกุล ตัวอักษร “ป” เขียนด้วยคาร์บอนมอน็อกไซด์ 18 โมเลกุล และ ตัวอักษร “ร” เขียนด้วยคาร์บอนมอน็อกไซด์ 15 โมเลกุล (19)
แม้ว่าการจัดเรียงอะตอมโดยเครื่อง STM นี้ยังอยู่เพียงแค่ขั้นการวิจัยและพัฒนา ยังไม่สามารถใช้ได้ในเชิงอุตสาหกรรม แต่ได้แสดงให้เห็นถึงก้าวแรกของนาโนเทคโนโลยี ที่ใปถึงจุด มุ่งหมายสูงสุด นั่นคือ การที่เราสามารถนำอะตอมหรือโมเลกุลมาจัดเรียงในตำแหน่งที่ต้องการอย่างแม่นยำและถูกต้อง ส่งผลต่อการควบคุมโครงสร้างของวัสดุหรือสสารให้มีคุณสมบัติพิเศษทางด้านฟิสิกส์ เคมี หรือชีวภาพ ก่อให้เกิดเป็นนวัตกรรมที่เป็นประโยชน์ต่อมนุษย์ได้มากมายมหาศาล ความสามารถในการจัดเรียงอะตอมของคาร์บอนมอน็อกไซด์บนผิวของโลหะทองแดงนี้ได้ถูกนำมาสร้างเป็นวงจรขนาดจิ๋วที่ใช้ในการคำนวณได้จริง และในอนาคตอาจจะนำไปใช้สร้างเป็นคอมพิวเตอร์จิ๋วจากอะตอมที่มีประสิทธิภาพยิ่งยวด
2. กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม หรือ เอเอฟเอ็ม (Atomic Force Microscope : AFM) หลักการทำงานของกล้องจุลทรรศน์ชนิดนี้คือ การใช้อุปกรณ์ตรวจหรือโพรบ (probe) ที่มีปลายแหลมเล็กซึ่งติดอยู่กับคานที่มีการโก่งงอตัวได้ แม้ว่าแรงกระทำที่ปลายจะมีขนาดน้อยมากในระดับอะตอม เมื่อปลายแหลมนี้ถูกลากไปบนพื้นผิวของวัสดุที่ต้องการศึกษา แรงปฏิกิริยาในแนวตั้งฉากกับพื้นผิวที่เกิดขึ้นกับปลายแหลมจะทำให้คานโก่งงอตัว และสามารถระบุให้ทราบถึงลักษณะพื้นผิวของวัสดุนั้นๆ ว่ามีหลุมมีเนินในบริเวณใดบ้าง เมื่อนำเอาแรงที่เกิดขึ้นที่จุดต่างๆ นี้มาประกอบกันก็จะได้เป็นภาพรวมของพื้นผิวของวัสดุที่เราศึกษานั่นเอง ด้วยหลักการนี้ หากสามารถควบคุมปลายแหลมของอุปกรณ์ของเอเอฟเอ็มในการสัมผัสพื้นผิวได้ ก็ควรที่จะสามารถใช้ปลายนี้ในการสร้างแรงผลักเพื่อเคลื่อนย้ายอะตอมของวัสดุได้เช่นกัน
โดยทั่วไปวิธีการทำงานของเอเอฟเอ็ม แบ่งเป็น 2 วิธีคือ การสัมผัสแบบต่อเนื่อง ได้แก่ การสัมผัสพื้นผิวพร้อมกับการลากปลายแหลมไปบนพื้นผิวนั้นๆ ข้อเสียของวิธีนี้คือ จะทำให้เกิดแรงต้านขึ้นในแนวของการเคลื่อนที่ซึ่งขนานกับพื้นผิว อันอาจทำให้คานของโพรบที่ใช้วัดเกิดการโก่งงอตัว โดยที่มิได้เกิดจากแรงกระทำที่ปลายเนื่องจากแรงในแนวตั้งฉากเพียงอย่างเดียว จึงทำให้ข้อมูลความสูงของพื้นผิวที่วัดได้นั้นผิดไปจากความสูงที่แท้จริง ส่วนอีกวิธีเป็นการสัมผัสแบบไม่ต่อเนื่องโดยให้สัมผัสกับพื้นผิวเป็นระยะเวลาสั้นๆ ในแนวตั้งฉากกับพื้นผิว คล้ายกับการใช้ปลายนิ้วเคาะโต๊ะเป็นจังหวะๆ นั่นเอง ด้วยลักษณะการสัมผัสแบบนี้แรงต้านในแนวตั้งฉากจะไม่เกิดขึ้น แต่เนื่องจากปลายแหลมสัมผัสพื้นผิวเป็นระยะสั้นๆ จึงทำให้เกิดการสั่นของคาน ซึ่งส่งผลให้ค่าสัญญาณวัดได้นั้นไม่คงที่
เนื่องจากการใช้เอเอฟเอ็มเพื่อแสดงพิกัดความสูงของพื้นผิวจากแรงที่วัดได้เพียงอย่างเดียวนั้นอาจไม่เพียงพอต่อการสร้างความเข้าใจให้แก่นักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับคุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุในระดับอะตอม เทคโนโลยีความจริงเสมือน (Virtual Reality Technology) จึงได้เข้ามามีบทบาทในการศึกษาในระดับอะตอม เทคโนโลยีความจริงเสมือน ได้แก่ การสร้างภาพสามมิติ และการสร้างแรงสัมผัสให้ผู้ใช้อุปกรณ์ได้รู้สึกเสมือนว่ากำลังอยู่ภายในสิ่งแวดล้อมหนึ่งๆ ซึ่งในที่นี้ก็คือการได้เข้าไปเห็นภาพและจับต้องสัมผัสวัสดุในระดับอะตอมนั่นเอง (5)
อ้างอิงจาก...http://www.dmsc.moph.go.th/webroot/SamutSongkhram/km-nano.htm 13/11/08