xs
xsm
sm
md
lg

อุณหพลศาสตร์เชิงควอนตัมในระบบนาโน

เผยแพร่:   ปรับปรุง:   โดย: สุทัศน์ ยกส้าน

Wather Nernst  ผู้ค้นพบกฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์
วิชาอุณหพลศาสตร์ถือกำเนิดในกลางคริสต์ศตวรรษที่ 19 เมื่อนักฟิสิกส์ต้องการจะอธิบายการทำงานและประสิทธิภาพของเครื่องจักรไอน้ำว่าขึ้นกับตัวแปร เช่น อุณหภูมิ ความดัน และความร้อนอย่างไร จนได้พบกฎสามข้อที่เป็นพื้นฐานของวิทยาการสาขานี้ คือ กฎข้อที่หนึ่ง ซึ่งพบโดยนักฟิสิกส์ 3 คน คือ Julius Mayer, James Joule และ Herman Helmholtz กฎนี้แถลงว่า ความร้อนเป็นพลังงานรูปแบบหนึ่งที่สามารถทำงานได้ และเปลี่ยนเป็นพลังงานชนิดอื่นก็ได้ ส่วนกฎข้อที่สองซึ่งพบโดยนักฟิสิกส์ 2 คนคือ Sadi Carnot และ Rudolf Clausius ก็แถลงว่าไม่มีใครสามารถสร้างอุปกรณ์ที่สามารถแปลงพลังงานความร้อนเป็นงานได้อย่างสมบูรณ์ 100% หรืออีกนัยหนึ่งกฎข้อสองนี้กำหนดว่า เวลาเครื่องจักรทำงาน การสูญเสียพลังงานบางส่วนเป็นเรื่องที่ไม่มีใครสามารถหลีกเลี่ยงได้ และสำหรับกฎข้อที่สาม ซึ่งพบโดย Wather Nernst เพียงคนเดียว มีใจความว่า เมื่ออุณหภูมิของผลึกสมบูรณ์แบบลดต่ำจนใกล้ถึงอุณหภูมิศูนย์องศาสัมบูรณ์ (273.15 องศาเคลวิน) ปริมาณ entropy ที่เปลี่ยนจะมีค่าใกล้ศูนย์ หรืออาจกล่าวอีกนัยหนึ่งได้ว่า ไม่มีใครสามารถทำให้ระบบมีอุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์องศาสัมบูรณ์ได้

เมื่อกฎข้อที่ 1, 2, 3 ถูกพบโดยคน 3, 2 และ 1 คนตามลำดับเช่นนี้ กฎข้อที่ 4 (ถ้ามี) ก็จะถูกพบโดยคน 0 คน หรือนั่นคือวิชาอุณหพลศาสตร์ไม่มีกฎข้อที่สี่ และการศึกษาการเคลื่อนที่ของความร้อน รวมถึงประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องจักรจะถูกควบคุมให้เป็นไปตามกฎทั้งสามข้อดังที่กล่าวมาแล้ว

ในเวลาต่อมา Ludwig Boltzman และ Josiah Gibbs ได้ใช้วิชากลศาสตร์สถิติ (statistical mechanics) อธิบายที่มาของกฎทั้งสามนี้ว่าเป็นจริงและใช้ได้เสมอในระบบที่มีขนาดใหญ่เพราะประกอบด้วยอะตอม และโมเลกุลจำนวนมาก (ระดับ 1023 อนุภาค) อีกทั้งมีอุณหภูมิ T ที่คงตัวและมีค่าสูง เพราะความแปรปรวนของพลังงานทั้งหมดในระบบจะมีค่าน้อยมาก เมื่อเปรียบเทียบกับพลังงานเฉลี่ย คำถามที่น่าสนใจ คือ กฎทั้งสามนี้ยังเป็นจริงในระบบขนาดเล็กมากๆ หรือไม่

ในปี 1959 คือ เมื่อ 60 ปีก่อน Richard Feynman (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1965) ได้จุดประกายความสนใจในระบบอะตอมที่มีขนาดเล็กระดับนาโนเมตร (10-9 เมตร) ทำให้วิทยาการนาโนเทคโนโลยีถือกำเนิด จากการเป็นวิทยาการสาขาใหม่ที่ศึกษาธรรมชาติของสสารที่มีขนาดใหญ่ประมาณ 100 นาโนเมตร หรือน้อยกว่านั้น รวมถึงการมุ่งหาคุณประโยชน์ที่จะได้จากระบบนี้มาใช้ในทางการแพทย์ การธุรกิจ การทำเครื่องสำอาง การปรับปรุงคุณภาพอาหาร การประยุกต์ด้านวัสดุศาสตร์ และการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัม เป็นต้น

การวิจัยตลอดเวลา 60 ปีที่ผ่านมานี้ แสดงให้นักวิทยาศาสตร์ได้เห็นแล้วว่าสมบัติต่างๆ ของสสารที่มีขนาดเล็กจะแตกต่างไปจากสมบัติของสสารชนิดเดียวกันที่มีขนาดใหญ่ค่อนข้างมากอย่างคาดไม่ถึง เช่น จุดหลอมเหลวของสสารระดับนาโนมีค่าต่ำกว่าจุดหลอมเหลวของสสารที่เป็นก้อนใหญ่ แม้แต่สมบัติการยึดติด (adhesion) ของระบบนาโนก็แตกต่างจากกรณีที่เป็นก้อน สมบัติการนำความร้อนและการนำไฟฟ้าของระบบนาโนก็ไม่เหมือนกับของระบบขนาดใหญ่ เช่น ในระบบนาโน กฎของโอห์มที่แถลงว่า ความต่างศักย์ที่ปลายทั้งสองข้างของลวดตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขึ้นกับความต้านทานของตัวนำนั้นก็ไม่เป็นจริงอีกต่อไป

เพราะการศึกษาการนำไฟฟ้าของระบบนาโนมีบทบาทในการพัฒนาการทำงานของอุปกรณ์ต่างๆ เช่น กล้องจุลทรรศน์ทะลุทะลวงแบบส่องกราด (scanning tunneling microscope STM) รวมถึงกล้องจุลทรรศน์แบบแรงอะตอม (atomic force microscope AFM) ที่กำลังมีบทบาทมากในเทคโนโลยีนาโนปัจจุบัน

ดังนั้นการศึกษาการทำงานของเครื่องจักรความร้อนที่มีขนาดนาโนเมตรจึงกำลังเป็นประเด็นที่นักวิชาการและนักเทคโนโลยีสนใจมากว่า กฎทั้งสามข้อของวิชาอุณหพลศาสตร์ยังคงใช้ได้ในระบบที่ประกอบด้วยอะตอมจำนวนไม่มากหรือไม่

ในอดีตเมื่อปี 2015 Ronnie Kosloff แห่งมหาวิทยาลัย Hebrew ที่ Jerusalem ในอิสราเอลได้วิเคราะห์การทำงานของเครื่องจักรไอน้ำแบบควอนตัม โดยอาศัยสมบัติการซ้อนทับของสถานะพลังงาน (superposition of energy states) และสมบัติความอาพันธ์แบบควอนตัม (quantum coherence) จนพบว่า แม้เครื่องจักรไอน้ำแบบควอนตัมจะมีประสิทธิภาพสูงไม่เกิน ประสิทธิภาพของเครื่องจักรไอน้ำแบบคลาสสิกของ Carnot แต่ถ้าเขาทำให้วัฎจักรการเคลื่อนที่ของลูกสูบมีค่าน้อย เครื่องจักรจะมีกำลังเพิ่มขึ้นได้

เมื่อเร็วๆ นี้ทีมวิจัยชาวอังกฤษและอิสราเอลได้สร้างเครื่องจักรความร้อนโดยใช้เพชรที่ได้จากการสังเคราะห์ (เพชรเทียม) และพบว่า ถ้าเครื่องจักรนี้ใช้สมบัติเชิงควอนตัมของอิเล็กตรอนในการทำงาน มันจะมีประสิทธิภาพสูงกว่าเครื่องจักรความร้อนแบบคลาสสิค ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่วิศวกรทุกคนรู้ว่าทำงานโดยอาศัยการเคลื่อนที่ของความร้อนจากแหล่งที่มีอุณหภูมิสูงไปสู่แหล่งที่มีอุณหภูมิต่ำ และประกอบด้วยลูกสูบที่ภายในมีแก๊สหรือของเหลวที่สามารถขยายตัวและหดตัวได้ เวลามีความร้อนไหลเข้าหรือออก เมื่อเป็นเช่นนี้ประสิทธิภาพของเครื่องจักรแบบคบาสสิกจะไม่ขึ้นกับสมบัติใดๆ ของแก๊สหรือของเหลว

ในงานวิจัยที่เผยแพร่เมื่อวันที่ 20 มีนาคม ค.ศ.2019 นี้ James Klatzow แห่งมหาวิทยาลัย Oxford กับคณะวิจัยจากมหาวิทยาลัย Hebrew และ Weizman Institute of Science ในอิสราเอลได้เสนอผลงานที่ลงพิมพ์ในวารสาร Physical Review Letters ฉบับที่ 122 หน้า 110601 ว่าได้สร้างเครื่องจักรไอน้ำแบบควอนตัม โดยใช้เพชรสังเคราะห์แผ่นบางๆ ขนาด 5 x 5 มิลลิเมตร ที่ภายในมีอะตอมไนโตรเจนจำนวนหนึ่ง ซึ่งอิเล็กตรอนในอะตอมไนโตรเจนมีระดับพลังงานต่างๆ กัน และนักวิจัยได้บังคับให้อะตอมทำงานโดยการฉายแสงเลเซอร์สีเขียว และคลื่นไมโครเวฟเข้าไปกระทบ โดยให้เครื่องจักรไอน้ำเครื่องนี้ทำงานเป็นวัฎจักร 2 จังหวะ คือแต่ละจังหวะใช้เวลาประมาณ 10-8 วินาที ดังนั้นเครื่องจักรนี้จึงแตกต่างจากเครื่องจักรไอน้ำแบบคลาสสิกที่ใช้ลูกสูบ ในจังหวะแรก อิเล็กตรอนในอะตอมไนโตรเจนจะถูกกระตุ้นให้ขึ้นไปอยู่ในสถานะที่มีพลังงานสูงกว่าพลังงานพื้นฐาน โดยใช้แสงเลเซอร์ จากนั้นไม่นาน อิเล็กตรอนก็จะคายพลังงานและตกลงมาอยู่ในสถานะกลาง (intermediate level ซึ่งก็ยังมีพลังงานสูงกว่าพลังงานในสถานะพื้นฐาน แต่ต่ำกว่าสถานะกระตุ้น) และปล่อยแสงสีแดงออกมา

ในจังหวะที่สอง นักวิจัยได้ส่งคลื่นไมโครเวฟที่มีความถี่เหมาะสมเข้าไปเร้าอิเล็กตรอนที่อยู่ในสถานะกลางให้กลับคืนสู่สถานะพื้นฐาน ในการนี้จะมีการปล่อยแสงสีเหลืองออกมาด้วย ดังนั้นในการดูดกลืนแสงเลเซอร์สีเขียวเข้าไป (1 photon) จะมีแสงสีแดง และแสงสีเหลือง (รวมเป็น 2 photons) ออกมา

อนึ่งในการขนย้ายอิเล็กตรอนจากสถานะพื้นไปสู่สถานะกลางโดยคลื่นไมโครเวฟนี้จะทำให้สถานะของอิเล็กตรอนในระดับกลางและระดับพื้นมีฟังก์ชันคลื่นซ้อนทับกัน และถ้าวัฎจักรการทำงานของเครื่องจักรนี้สั้นมาก แสงสีเหลืองที่ถูกปล่อยออกมาจะเป็นแสงอาพันธ์ และเครื่องจักรจะมีกำลังมากกว่าเครื่องจักรที่ทำงานโดยไม่ใช้สมบัติเชิงควอนตัมเรื่องการซ้อนทับของสถานะ

เมื่อ 4 ปีก่อนนั้นคณะวิจัยจากเยอรมนีได้เคยสร้างเครื่องจักรความร้อนโดยใช้ไอออนของธาตุ calcium เพียงไอออนเดียว แม้ระบบนี้จะเป็นระบบควอนตัม แต่ผลการทดลองแสดงว่า ปรากฏการณ์ควอนตัมมิได้มีผลใดๆ ต่อประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องจักร

แม้งานวิจัยของ Klatzow กับคณะจะยังไม่สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในวงการอุตสาหกรรมได้ แต่ผู้วิจัยก็เสนอแนะว่าอาจมีคุณค่าในการทำให้นักชีววิทยาเข้าใจกลไกการสังเคราะห์อาหารด้วยแสง (photosynthesis) ในพืช ซึ่งเป็นกระบวนการที่พืชใช้ในการสร้างพลังงาน โดยการเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้า และอาจจะเป็นประโยชน์ในการเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์ด้วย

การทดลองนี้จึงเป็นการทดลองที่สำคัญในการสร้างองค์ความรู้ด้านอุณหพลศาสตร์เชิงควอนตัม ซึ่งจะนำไปสู่โลกเทคโนโลยีควอนตัมในอนาคตที่มีเครื่องจักรความร้อนเชิงควอนตัมและตู้เย็นควอนตัม ฯลฯ

มนุษย์เรามีความฝันสูงสุดความฝันหนึ่งคือเราจะสามารถสร้างเครื่องจักรที่ทำงานนานชั่วกัลปาวสานโดยไม่ต้องใช้พลังงานใดๆ ในการขับเคลื่อน ยกตัวอย่างเช่น ต้องการจะสร้างเรือที่สามารถดึงดูดพลังงานความร้อนทั้งหมดจากมหาสมุทรมาใช้ในการเดินเครื่องยนต์ ถ้าทำได้ นั่นจะเป็นการปฏิวัติวิทยาศาสตร์ครั้งมโหฬาร ซึ่งอาจจะเป็นไปได้จากการนำกลศาสตร์ควอนตัมมาใช้ในวิชาอุณหพลศาสตร์ โดยการทำให้เครื่องจักรที่มีประสิทธิภาพ 100% ทั้งๆ ที่มันเป็นการกระทำที่ขัดกับกฎข้อสองของวิชาอุณหพลศาสตร์ แต่เพราะนักฟิสิกส์บางคนคิดว่า มีทางเป็นไปได้

อ่านเพิ่มเติมจาก Single-Atom Demonstration of the Quantum Landauer Principle โดย L.L. Yan และคณะใน Phys-Rev. Lett 120.210601 (2018)

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


กำลังโหลดความคิดเห็น...