เมื่อประมาณ 30 ปีก่อนนี้ แทบไม่มีนักฟิสิกส์คนใดสนใจปรากฏการณ์ magnetoresistance ซึ่งเป็นเหตุการณ์ที่ความต้านทานไฟฟ้าของสารมีการเปลี่ยนแปลง เวลาสารนั้นมีสนามแม่เหล็กมากระทำ
ในอดีต Lord Kelvin นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษผู้มีชื่อเสียงโด่งดังจากผลงานด้านอุณหพลศาสตร์ (thermodynamics) ด้วยการพบปรากฏการณ์ Joule-Kelvin อีกทั้งเป็นคนที่กำหนดมาตรวัดอุณหภูมิสัมบูรณ์ให้โลกรู้จักในนามองศา kelvin ได้เคยตั้งข้อสังเกตเมื่อ 180 ปีก่อนนี้ว่า ความต้านทางไฟฟ้าของเหล็กได้เปลี่ยนแปลงไปเล็กน้อย เวลามีสนามแม่เหล็กมากระทำ แต่เมื่อความต้านทานไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงนี้มีค่าน้อยมาก ดังนั้นจึงไม่มีใครให้ความสนใจในเรื่องนี้
จนกระทั่งถึงปี 1988 เมื่อ Albert Fert แห่งมหาวิทยาลัย Paris ที่ Orsay ในประเทศฝรั่งเศสได้พบว่า ในการทดลองใช้วัสดุที่เหมาะสม เวลามีสนามแม่เหล็กมากระทำ ความต้านทานไฟฟ้าของวัสดุจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างมากมหาศาล จนทำให้คนทุกคนตกใจ และรู้สึกประหลาดใจ
Fert เรียกปรากฏการณ์ที่เขาพบว่า giant magnetoresistance (หรือ GMR)
ในการพบ GMR Fert ได้ใช้เทคโนโลยี molecular beam epitaxy สร้างสิ่งที่เรียกว่า superlattice ด้วยการพ่นลำอะตอมเหล็กให้เกาะติดกันเป็นแผ่นบาง แล้วพ่นลำอะตอมโครเมียมให้เป็นแผ่นบางใหม่ที่ทับติดกับแผ่นเหล็กเดิม นักฟิสิกส์เรียกระบบที่มีวัสดุต่างชนิดที่เรียงสลับแผ่นซ้อนกันว่า superlattice และได้พบว่า เมื่อนำ superlattice ไปวางในสนามแม่เหล็ก แล้วปล่อยให้กระแสไฟฟ้าผ่าน ในเวลาเดียวกันก็ได้ลดอุณหภูมิของระบบลงจนถึง 4.2 องศาสัมบูรณ์ (-269 องศาเซลเซียส) เขาก็ตกตะลึงเมื่อได้เห็นความต้านทานไฟฟ้าของ superlattice ลดลงเกือบ 50%
ทันทีที่รู้ข่าวนี้วงการฟิสิกส์ทั่วโลกก็ตื่นเต้นและหันมาสนใจปรากฏการณ์ GMR และได้พยายามลบสถิติการเปลี่ยนแปลงความต้านทานไฟฟ้าที่ Fert ได้ทำไว้ หลายคนได้พยายามสร้างทฤษฎีอธิบายปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้น บางคนได้พยายามค้นหาวัสดุที่ความต้านทานไฟฟ้าจะเปลี่ยนไปมาก เวลามีสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มต่ำมากมากระทำ และหาวัสดุที่จะทำให้เห็นปรากฏการณ์ได้ชัดที่อุณหภูมิไม่ต่ำมาก เช่น ที่ 300 องศาสัมบูรณ์ หรือประมาณ 30 องศาเซลเซียส ซึ่งเป็นอุณหภูมิห้อง
เพราะนักเทคโนโลยีเห็นคุณค่าของ GMR ว่า อาจนำไปใช้ในการอ่านข้อมูลที่เก็บในเทปคอมพิวเตอร์ รวมถึงอาจใช้เป็นตัวรับสัญญาณในรถยนต์ที่ไร้คนขับก็ได้ด้วย
ปรากฏการณ์ GMR เกิดขึ้น เมื่อสนามแม่เหล็กที่กระทำต่อตัวนำบางชนิดได้แผ้วทางให้กระแสอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านไปได้อย่างสะดวกสบาย แต่ในตัวนำที่มีสารเจือ หรือสิ่งแปลกปลอม หรือความผิดปกติใดๆ อาจทำให้การเรียงตัวของโมเมนต์แม่เหล็กในอะตอมเป็นไปอย่างไม่เป็นระเบียบ อิเล็กตรอนจะถูกสิ่งเหล่านี้กระเจิง (scatter) ทำให้มันเคลื่อนที่ต่อไปอย่างไม่ราบรื่น คือ ถูกต้านทาน มีผลทำให้ตัวนำนั้นมีความต้านทานไฟฟ้าอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้
แต่เวลามีสนามแม่เหล็กมากระทำ ถ้าตัวนำที่มีสารเจือที่มีสมบัติของเหล็ก สารเจือจะมีอันตรกริยากับอิเล็กตรอน เพราะอิเล็กตรอนเองก็มีสมบัติเชิงแม่เหล็ก คือมีสปินที่เป็นเสมือนแท่งแม่เหล็กขนาดเล็กที่มีขั้วเหนือและใต้ (เป็น spin แบบ up หรือ down (ชี้ขึ้น หรือชี้ลง)) ดังนั้นสารเจือที่มีสมบัติแม่เหล็กจะเบี่ยงเบนเส้นทางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่มีสปินทั้งสองรูปแบบอย่างแตกต่างกัน
ต่อมาอีกไม่นานคือในปี 1989 Peter Grünberg แห่งสถาบัน Nuclear Research Center – Institute for Solid State Physics ที่มหาวิทยาลัย Julich ในประเทศเยอรมนีก็ตระหนักว่า เขาสามารถเปลี่ยนความต้านทานไฟฟ้าของวัสดุได้เช่นกัน โดยการปรับเปลี่ยนสมบัติเชิงแม่เหล็กของวัสดุนั้น ด้วยการสร้างแผ่นฟิล์มเรียงซ้อนกันหลายชั้น (superlattice) ซึ่งมีทิศของสนามแม่เหล็กภายในแผ่นชี้ทิศเดียวกัน หรือสวนทิศกัน และมีวัสดุที่ไร้สมบัติแม่เหล็กวางคั่นกลางระหว่างแผ่นแม่เหล็กทั้งสองระบบ แผ่นฟิล์มมีทิศของสนามแม่เหล็กภายในชี้สลับทิศกันเช่นนี้ ยิ่งทำให้ความต้านทานไฟฟ้าของระบบเปลี่ยนแปลงมากยิ่งขึ้นไปอีก
ทั้งนี้เพราะอิทธิพลของสนามแม่เหล็กภายในแผ่นหนึ่งสามารถทะลุถึงกันได้คือมีอิทธิพลต่อสนามแม่เหล็กในอีกแผ่นหนึ่งได้ การเกิดอันตรกริยาคู่ควบระหว่างสนามแม่เหล็กภายในแผ่นฟิล์มเหล่านี้ คือ ต้นเหตุที่มีอิทธิพลในการควบคุมการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน
แต่ถ้าใช้สนามแม่เหล็กภายนอกที่มีความเข้มสูงมาก สนามแม่เหล็กภายในแผ่นฟิล์มทุกชั้นจะถูกเหนี่ยวนำให้ชี้ไปในทิศเดียวกันหมด มีผลทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านได้อย่างสะดวกสบาย ความต้านทานไฟฟ้าจึงลดฮวบ
ตั้งแต่ Fert และ Grünberg พบปรากฏการณ์นี้ วงการวิจัยทั่วโลกก็ได้หันมาสนใจหาวัสดุชนิดต่างๆ มาทำเป็น superlattice เพื่อใช้เป็นหน่วยเก็บข้อมูลที่มีประสิทธิภาพสูงมาก
การค้นพบว่า ความต้านทานไฟฟ้าของระบบแผ่นตัวนำที่มีความหนาน้อยนิดและแต่ละแผ่นมีสมบัติแม่เหล็ก เมื่อถูกนำมาประกบกับแผ่นตัวนำที่ไม่มีสมบัติแม่เหล็ก แล้วให้สนามแม่เหล็กมากระทำ ความต้านทานไฟฟ้าจะเปลี่ยนแปลงมาก ทำให้ Grünberg และ Albert Fert ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2007 ร่วมกัน เพราะผลงานนี้ได้บุกเบิกวิทยาการใหม่ คือ spintronics ที่แตกต่างไปจากเทคโนโลยี electronics ที่เราทุกคนรู้จักกันดี
Grünberg เกิดเมื่อปี 1939 ที่เมือง Pilsen ในแคว้น Bohemia ซึ่งในเวลานั้นอยู่ในความปกครองของเยอรมัน แต่ปัจจุบันอยู่ในสาธารณรัฐเชค
เมื่อ Grünberg มีอายุ 6 ขวบ ครอบครัวได้อพยพไปอยู่ที่ประเทศเยอรมนีตะวันตก และ Grünberg ได้เข้าศึกษาฟิสิกส์ระดับปริญญาตรีที่มหาวิทยาลัย Goethe ในเมือง Frankfurt หลังจากนั้นได้ไปเรียนต่อระดับปริญญาเอกที่ Technical University ในเมือง Darmstadt จนสำเร็จการศึกษาด้วยการทำวิทยานิพนธ์ด้าน spectroscopy เรื่องการหาพลังงานของไอออนที่เป็นธาตุ rare-earth ในผลึกโกเมน จากนั้นได้ไปฝึกงานหลังปริญญาเอกที่ Carleton University ในแคนาดาเป็นเวลา 2 ปี จนมีความเชี่ยวชาญด้าน spectrometry ทำให้ได้งานที่สถาบัน Institute for Magnetism ที่ศูนย์วิจัย Julich ในประเทศเยอรมนี
ผลงานสำคัญของ Grünberg ในช่วงเริ่มต้นชีวิตทำงาน คือ การได้พบคลื่น spin ที่บริเวณผิวของวัสดุแม่เหล็ก ครั้นเมื่อได้ไปฝึกงานที่ Argonne National Laboratory ในอเมริกาในปี 1985 Grünberg ได้พัฒนาการวิจัยเรื่อง spin wave บนผิวของวัสดุแม่เหล็กที่มีความหนาน้อยกว่าหนึ่งนาโนเมตร (10-9 เมตร) จนได้พบว่า ถ้ามีชุดของแผ่นวัสดุบางๆ 3 แผ่นประกบกัน โดย 2 แผ่นนอกเป็นเหล็ก และแผ่นกลางเป็น chromium การเรียงชุดเหล่านี้ซ้อนกันหลายชั้นทำให้ได้สิ่งที่เรียกว่า superlattice สมบัติของระบบที่มีแผ่นเหล็กขนาบแผ่นโครเมียมจะแสดงปรากฏการณ์ควอนตัม ซึ่งควบคุมการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนผ่าน superlattice นั้น
หลังจากนั้นไม่นานทีมวิจัยของ Albert Fert ก็ได้พบปรากฏการณ์ GMR ใน superlattice ที่ประกอบด้วยแผ่นบางๆ ของเหล็ก และโครเมียมที่เรียงซ้อนกันถึง 40 ชุด การค้นพบเรื่องเดียวกันของ Fert กับ Grünberg เป็นไปอย่างอิสระจากกัน
ความประเสริฐของการค้นพบของคนทั้งสองคือ เหตุการณ์สามารถเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิปกติ โดยระบบไม่จำเป็นต้องมีอุณหภูมิต่ำมาก และสนามแม่เหล็กที่ใช้ควบคุมเหตุการณ์ก็ไม่จำเป็นต้องมีความเข้มสูง ดังนั้นอุปกรณ์นี้จึงสามารถใช้วัดความเข้มของสนามแม่เหล็กที่มีค่าต่ำมากได้ และใช้อ่านข้อมูลในจานบันทึกแบบแข็ง (hard disk) ก็ได้ด้วย
ขั้นตอนการพัฒนาองค์ความรู้เรื่อง GMR นี้ได้ทำให้ IBM สามารถสร้าง spin-valve ที่ใช้ใน hard disk ในปี 1997 ซึ่งมีประสิทธิภาพสูงกว่าเดิมถึง 1,000 เท่า รวมถึงสร้าง magnetic sensor และเข็มทิศที่ใช้ในโทรศัพท์มือถือทุกวันนี้
เมื่อการค้นพบ GMR บังเกิด วิทยาการ spintronics ก็อุบัติตาม นักฟิสิกส์ทฤษฎีได้แสดงให้เห็นว่า การทะลุทะลวงแบบควอนตัมของอิเล็กตรอนในแผ่นเหล็กทำให้ GMR มีค่ามาก เพราะ spin ของอิเล็กตรอนมีอันตรกริยากัน (อิเล็กตรอนทุกอนุภาคมีสมบัติ 2 ประการ คือ มีทั้งประจุ และมีทั้งสปิน) ในอดีตการควบคุมการส่งประจุผ่านสารกึ่งตัวนำทำให้เกิดเทคโนโลยี electronics มาบัดนี้ การควบคุมการส่งสปินผ่านสารแม่เหล็กก็ทำให้เกิดเทคโนโลยีใหม่ คือ spintronics ที่มีประโยชน์มากในการสร้างหน่วยความจำ (memory) ฯลฯ
เมื่อวันที่ 7 เมษายนที่ผ่านมานี้ Grünberg วัย 78 ปี บิดาคนหนึ่งของเทคโนโลยี spintronics ได้จากโลกไป
อ่านเพิ่มเติมจาก Quantum Computation and Quantum Information โดย M.A. Nielson and I.L. Chuang จัดพิมพ์โดย Cambridge University Press ปี 2000
เกี่ยวกับผู้เขียน สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์
