สร้างปรากฏการณ์เห็น "กลศาสตร์ควอนตัม” ด้วยตาเปล่า

ทีมวิจัยเคมบริดจ์สร้างชิปเซมิคอนดัคเตอร์ที่แปลงอิเล็กตรอนสู่สถานะควอนตัม ซึ่งปลดปล่อยแสงในระดับที่เห็นได้ด้วยตาเปล่า เหตุเพราะของไหลยิ่งยวดในสถานะเชิงควอนตัมของพวกเขานั้นสร้างขึ้นง่ายๆ จากการฉายลำเลเซอร์ไปบนอุปกรณ์ที่พัฒนาขึ้น ซึ่งสามารถต่อยอดสู่อุปกรณ์ตรวจวัดที่มีความไวสูงได้

งานวิจัยของทีมจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ (University of Cambridge) ดังกล่าวเพิ่งตีพิมพ์ลงวารสารเนเจอร์ฟิสิกส์ (Nature Physics) โดย PhysOrg.com ระบุว่า โดยปกติแล้วกลศาสตร์ควอนตัมจะมีอิทธิพลต่ออนุภาคเล็กๆ ที่อยู่ในอุณหภูมิต่ำมากๆ เท่านั้น แต่พวกเขาได้ผสมอิเล็กตรอนกับแสงเพื่อสังเคราะห์อนุภาคเชิงควอนตัมที่มีขนาดใหญ่ขึ้น โดยมีความหนาประมาณเส้นผมมนุษย์และมีพฤติกรรมเหมือนซูเปอร์คอนดัคเตอร์หรือตัวนำยิ่งยวด

ทีมวิจัยสร้างหลุมขนาดเล็กซึ่งดักจับแสงไปยังบริเวณใกล้เคียงกับอิเล็กตรอนภายในชิป จึงได้อนุภาคชนิดใหม่ที่เรียกว่า “โพลาริตอน” (polaritons) ซึ่งมีน้ำหนักเบามากและตะลอนไปได้ทั่ว

ดร.แก็บ คริสต์มันน์ (Dr. Gab Christmann) ร่วมกับ ศ.เจเรมี บวมเบิร์ก (Prof.Jeremy Baumberg) และ ดร.นาตาลี เบอร์ลอฟฟ์ (Dr. Natalia Berloff) จากเคมบริดจ์ พร้อมทีมวิจัยจากเกาะครีต (Crete) ได้ผลิตตัวอย่างพิเศษที่ช่วยให้โพลาริตอนไหลไปรอบโดยไม่ติดขัด

จากการยิงอนุภาคเหล่านั้นไปยังเลเซอร์ 2 จุด พวกเขาพบว่าของไหลเชิงควอนตัมเริ่มแกว่งกลับไปกลับมาอย่างเป็นธรรมชาติ ซึ่งในกระบวนการดังกล่าวนั้นได้ก่อให้เกิดสถานการณ์แกว่งเชิงควอนตัมที่มีลักษณะจำเพาะ และเป็นที่รู้จักสำหรับนักวิทยาศาสตร์ แต่ถี่กว่าปกติหลายพันเท่า

ตามที่คริสต์มันน์ระบุนั้นอนุภาคโพลาริตอนจำนวนมากเหล่านี้จะเคลื่อนตัวไปด้วยกันในจังหวะสม่ำเสมอและพัวพันกันเองในเชิงกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งของไหลเชิงควอนตัมเหล่านี้มีคุณลักษณะบางอย่างที่แปลกประหลาด ซึ่งรวมถึงความพยายามในการผลักไล่ตัวเอง อีกทั้งยังหมุนวนไปรอบๆ ในปริมาณคงที่ และสร้างการไหลวนที่แพร่กระจายเป็นเส้นสม่ำเสมอ

เมื่อแยกลำเลเซอร์ออกจากกัน ดร.คริสต์มันน์และคณะก็ควบคุมการแกว่งของเหลวเชิงควอนตัมได้โดยตรง และทำให้เกิดจังหวะการแกว่งที่เร็วกว่าการเต้นของหัวใจมนุษย์เป็นล้านเท่า ซึ่งเขากล่าวว่าสิ่งที่เกิดขึ้นนั้นไม่ใช่สิ่งที่ทีมวิจัยคาดคิดว่าจะได้เห็นตรงๆ เลย นอกจากนี้พวกเขายังนำทางอนุภาคโพลาริตอนที่เป็นของไหลเชิงควอนตัมนี้ได้ด้วยการกวาดอย่างรวดเร็วไปรอบๆ ลำเลเซอร์ที่สร้างอนุภาคเหล่านี้ขึ้นมา

ยิ่งมีจำนวนลำเลเซอร์มากขึ้นยิ่งสร้างสถานะควอนตัมที่มีความซับซ้อนได้มากขึ้น ซึ่งเป้าหมายของงานวิจัยนี้คือการสร้างสถานะควอนตัมอย่างที่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิห้องโดยใช้แบตเตอรีไฟฟ้า ซึ่งจะทำให้ได้ไจโรสโคป (gyroscope) หรือเครื่องวัดการหมุนรุ่นใหม่ที่มีความไวยิ่งยวด เพื่อใช้งานในการวัดแรงโน้ม สนามแม่เหล็ก และสร้างวงจรควอนตัมขึ้นมาได้

แม้ยังผลิตอุปกรณ์ที่กล่าวมาไม่สำเร็จ แต่ ดร.คริสต์มันน์กล่าวว่า แค่ได้เห็นและกระตุ้นการทำงานของระบบกลไกเชิงควอนตัมต่อหน้าตัวเองก็เป็นเรื่องน่าทึ่งมากแล้ว ทั้งนี้ พวกเขาได้รับทุนวิจัยจากสภาพวิจัยวิศวกรรมศาสตร์และวิทยาศาสตร์กายภาพ (Engineering and Physical Sciences Research Council) สหราชอาณาจักร และสหภาพยุโรป