ส่งความสุขด้วย “ปรากฏการณ์แม่เหล็ก" ที่คนไทยตรวจวัดได้ครั้งแรก

ช่วงเทศกาลปีใหม่เป็นช่วงเวลาที่เราส่งความสุขและปรารถนาดีต่อกัน สำหรับปีใหม่นี้ทีมข่าวผู้จัดการวิทยาศาสตร์ได้รับการ์ดอวยพรส่งความสุขที่ซ่อนความหมายพิเศษจาก “ศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์” ซึ่งเผยถึงการค้นพบปรากฎการณ์ที่น่าสนใจโดยนักวิจัยไทย

ภาพกราฟ Space และ Time ที่ปรากฏรูปทรงสามเหลี่ยมสีน้ำเงิน เรียงสลับขึ้น-ลงเป็นแถวหลายๆ แถว พร้อมข้อความ Nonreciprocal Magnons ชวนให้ทีมข่าวผู้จัดการวิทยาศาสตร์สงสัยในความหมายของภาพดังกล่าว หลังจากลองสอบผู้อ่านและแฟนเพจ Science News Of Manager Online เราก็ได้เบาะแส

ภาพดังกล่าวเป็นส่วนหนึ่งของงานวิจัยที่มี รศ.ดร.กิตติวิทย์ มาแทน จากภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยมหิดล เป็นหัวหน้าโครงการ ทีมข่าวผู้จัดการวิทยาศาสตร์จึงได้ติดต่อสอบถามถึงความสำคัญของภาพดังกล่าว ซึ่งได้อธิบายให้เราฟังว่าเป็นภาพจากงานวิจัยที่นักฟิสิกส์ไทยสามารถตรวจวัดปรากฏการณ์ทางแม่เหล็กตามที่ทำนายไว้ในทฤษฎีได้เป็นครั้งแรก

ปรากฏการณ์ดังกล่าวคือ Nonreciprocal Magnons ดังข้อความที่ปรากฏบนการ์ดอวยพร โดย รศ.ดร.กิตติวิทย์ อธิบายว่า โดยปกติแล้วสารประกอบแม่เหล็กจะมี “สปิน” (Spin) ของอิเล็กตรอนที่เรียงตัวเป็นระเบียบ และถ้าเรียงไปในทิศทางเดียวกันจะเกิดสนามแม่เหล็กและเป็นแม่เหล็กถาวร แต่วัสดุแม่เหล็กกลุ่มแอนติเฟอร์โรแมกเนต (antiferromagnet) จะมีสปินที่ชี้ขึ้น-ลงไปคนละทิศ

“สำหรับสปินเปรียบเหมือนการหมุนรอบตัวเองของโลกหรือโลกสปินรอบตัวเอง โดยที่แกนหมุนของโลกบ่งบอกทิศของสปิน และทิศของการหมุนหรือสปินนี้ก็คล้ายๆ กับลูกศรที่มีด้านหัวลูกศรกับหางลูกศร ในกรณีของโลกหัวลูกศรจะอยู่ที่ขั้วเหนือและหางลูกศรจะอยู่ที่ขั้วใต้ แต่ในกรณีของอิเล็กตรอนนั้นไม่มีใครรู้ว่าอิเล็กตรอนหมุนรอบตัวเองจริงๆ หรือเปล่า เนื่องจากอิเล็กตรอนเล็กมาก แต่เรารู้ว่าอิเล็กตรอนมีสปิน คล้ายกับวัตถุทรงกลมอื่นที่หมุนรอบตัวเองครับ จึงอาจจะคิดได้ว่าอิเล็กตรอนก็อาจจะหมุนรอบตัวเองเช่นกัน” รศ.ดร.กิตติวิทย์ อธิบาย

หากกระตุ้นให้สปินหนี่งในวัสดุกลุ่มแอนติเฟอร์โรแมกเนตเคลื่อนที่ สปินที่อยู่ข้างเคียงจะเคลื่อนที่ไปด้วย และทำให้เกิดการหมุนได้ 2 แบบ คือ หมุนตามเข็มนาฬิกา และ หมุนทวนเข็มนาฬิกา ซึ่งจากบทความที่เผยแพร่ผ่านเว็บไซต์ของศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์ ระบุว่า แมกนอน (magnon) คือคลื่นสปินที่เคลื่อนที่ไปในวัตถุ ซึ่งเกิดจากการกระตุ้นวัตถุแม่เหล็ก

ทั้งนี้ นักฟิสิกส์พบว่าสปินที่หมุนนั้นจะเคลื่อนที่โดยมีความเร็วเท่ากัน และใช้พลังงานเท่ากัน แต่จากการศึกษาปรากฏการณ์แม่เหล็กในสารประกอบ “อัลฟาเฟสของคอปเปอร์วานาเดต” (alpha phase of copper vanadate) ของนักฟิสิกส์ไทยนั้นพบว่า ความเร็วและพลังงานที่ใช้ไม่เท่ากัน

งานวิจัยนี้ รศ.ดร.กิตติวิทย์ ระบุว่ามี ดร.กนต์ธีร์ กิจเกียรติพงษ์ เป็นแกนนำวิจัยขณะเป็นนักศึกษาปริญญาเอกมหาวิยาลัยมหิดล และปัจจุบันเป็นอาจารย์ที่มหาวิทยาลัยราชภัฏพระนคร โดยเป็นงานจากความร่วมมือระหว่างนักวิจัยมหาวิทยาลัยมหิดลกับสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีสหรัฐฯ (National Institute of Standards and Technology :NIST) และมหาวิทยาลัยโตโฮกุ (Tohoku University) ในญี่ปุ่น

เนื่องจากไทยยังไม่มีเครื่องมือที่จะวัดปรากฏการณ์ดังกล่าวได้ นักวิจัยไทยโดย ดร.กนต์ธีร์จึงได้นำสารประกอบดังกล่าวไปตรวจวัดปรากฏการณ์ทางแม่เหล็กที่ห้องปฏิบัติการในสหรัฐฯ และญี่ปุ่น ซึ่งเป็นการตรวจวัดปรากฏการณ์ Nonreciprocal Magnons ที่นักฟิสิกส์ญี่ปุ่นได้ทำนายไว้เมื่อปี 2559 และยังไม่มีใครตรวจได้มาก่อน โดยข่าวสารในแวดวงวิจัยเกี่ยวกับการตรวจวัดได้เมื่อประมาณเดือน ก.ค.60

สำหรับประโยชน์ของงานวิจัยนี้ รศ.ดร.กิตติวิทย์ระบุว่า ยังไม่ชัดเจนนัก แต่ก็เป็นไปได้ว่าในอนาคตปรากฏการณ์นี้จะเป็นประโยชน์ต่อการส่งสัญญาณในรูปคลื่นสปิน ซึ่งมีข้อดีที่ใช้พลังงานน้อย ไม่เหมือนกระแสไฟฟ้าที่มีการสูญเสียพลังงานเนื่องจากมีความต้านทานของสายส่ง ส่วนในวงการนั้นก็ได้รับการตอบรับระดับหนึ่ง ส่วนจะมีความสำคัญมากแค่ไหนนั้นขึ้นอยู่กับนักวิจัยคนอื่นที่จะนำองค์ความรู้นี้ไปใช้อะไรบ้าง แต่ในวงการฟิสิกส์ก็ถือเป็นครั้งแรกที่ตรวจวัดปรากฏการณ์นี้ได้ตามที่ทฤษฎีพยากรณ์ไว้

ความสำเร็จของนักวิจัยไทยครั้งนี้ยังได้รับการสนับสนุนจากสำนักงานกองทุนสนับสนุนการวิจัย (สกว.) และศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์ โดยสนับสนุนทุนการศึกษาระดับปริญญาเอกของนักศึกษา ค่าวัสดุในห้องทดลอง รวมถึงสนับสนุนค่าใช้จ่ายในการเดินทางไปทำวิจัยที่สหรัฐฯ และญี่ปุ่น

ในส่วนของศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์ (Thailand Center of Excellence in Physics: ThEP) สังกัดสำนักพัฒนาบัณฑิตศึกษาและวิจัยด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สบว.) ของสำนักงานคณะกรรมการการอุดมศึกษา (สกอ.) กระทรวงศึกษาธิการ (ศธ.) โดยได้รับการอนุมัติจากคณะรัฐมนตรี เมื่อวันที่ 27 พ.ย.50


เอกสารอ้างอิง



[1] G. Gitgeatpong, Y. Zhao, P. Piyawongwatthana, Y. Qiu, L. W. Harriger, N. P. Butch, T. J. Sato, and K. Matan, Phy. Rev. Lett.119,047201 (2017).

[2] S. Hayami, H. Kusunose, and Y. Motome, J. Phys. Soc. Jpn.85, 053705 (2016).

[3] R. Cheng, M. W. Daniels, J.-G. Zhu, and D. Xiao, Sci.Rep.6, 24223 (2016).