การค้นหาสสารที่มนุษย์สามารถควบคุมพฤติกรรมได้ เพื่อพัฒนาเทคโนโลยีและเพิ่มพูนความรู้วิทยาศาสตร์ (มีคลิป)

วงการดาราศาสตร์มี superstarหลายรูปแบบที่น่าสนใจและชวนฉงน เช่น super-Earth, supernova, supermassive black holeที่อยู่ทั่วไปในเอกภพ โดย super-Earth นั้น เป็นดาวเคราะห์ที่อยู่นอกระบบสุริยะ มีมวลมากกว่าโลก (ตั้งแต่ 1-10 เท่าของโลก) แต่น้อยกว่ามวลของ Neptune ตัวอย่าง super-Earth ได้แก่ ดาว Kepler-452b ที่โคจรรอบดาวฤกษ์ Kepler-452 ซึ่งอยู่ในกลุ่มดาวหงส์ (Cygnus) และดาว Gliese 832c ที่โคจรรอบดาวแคระแดง Gliese 832 ในกลุ่มดาวคันชั่ง Libra




ส่วน supernova เป็นดาวฤกษ์ที่ระเบิดตัวเอง เวลาใกล้จะถึงจุดจบหรือหมดอายุขัย ผลที่เกิดตามมาจากการระเบิด คือ อาจจะมีดาวนิวตรอน หลุมดำ หรือเนบิวลาเกิดขึ้น ซึ่งจะเป็นเทห์ฟ้าชนิดใด ก็ขึ้นกับมวลของดาวฤกษ์ การระเบิดอย่างรุนแรงนี้มักทำให้เกิดธาตุหนัก เช่น ทองคำ ตะกั่ว หรือเหล็ก แพร่กระจัดกระจายทั่วไปในอวกาศก็ได้ ตัวอย่าง supernova ได้แก่ SN 1987A (SN จากคำ supernova, 1987 คือ ปีที่โลกเห็นเหตุการณ์)

สำหรับ supermassive black hole นั้น เป็นหลุมดำที่มีมวลมากมหาศาลตั้งแต่ 10^6 ถึง 10^9 เท่าของดวงอาทิตย์ มักพบที่บริเวณใจกลางของกาแล็กซี เช่น ทางช้างเผือกของเรามีหลุมดำชื่อ Sagittarius A* (หรือที่เรียกสั้น ๆ ว่า Sgr A*) เพราะหลุมดำนี้ อยู่ที่กลุ่มดาว Sagittarius คนยิงธนู


ใน วงการวัสดุศาสตร์ ก็มี supermaterial หลายชนิดในทำนองคล้ายกัน เช่น superfluid, superconductor, supersolid, graphene, aerogel, carbon nanotube, MXenes, metamaterials ซึ่งเป็นวัสดุวิเศษที่มีประโยชน์ต่อมนุษย์ เพราะใช้ประดิษฐ์เทคโนโลยีได้มากมาย

โดย superfluid ของไหลยวดยิ่ง เป็นของเหลวที่สามารถไหลไปเหนือผิวของวัตถุอื่นได้ อย่างไร้แรงหนืดใด ๆ มาต้านทาน และสามารถไหลผ่านรูเล็ก ๆ ได้อย่างไม่ติดขัดอะไรเลย อีกทั้งสามารถไหลขึ้นตามผนังของภาชนะที่บรรจุมันได้ อย่างไม่น่าเชื่อ ตัวอย่างของไหลยวดยิ่ง ได้แก่ He-4 (helium-4) ขณะมีอุณหภูมิต่ำกว่า 2.17K (ถ้าอุณหภูมิสูงกว่า 2.17K He-4 ก็จะเป็นของเหลวปกติ (normal fluid) ด้าน He-3 ก็จะกลายเป็นของเหลวยวดยิ่งที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0.0025 K คือ ใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์ (He-4 มีนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอน 2 อนุภาค กับนิวตรอน 2 อนุภาค และนิวเคลียสของ He-3 มีโปรตอน 2 อนุภาค กับนิวตรอน 1 อนุภาค)


นอกจาก helium แล้ว นักวิทยาศาสตร์ก็ได้พบของไหลยวดยิ่งในแก๊สบางชนิดที่มีอุณหภูมิต่ำมาก (ultracold atom gas) ด้วยที่อุณหภูมิต่ำระดับ 10^(-9) K (nanokelvin) เช่น แก๊สที่ประกอบด้วยอะตอมของธาตุ rubidium-87 หรือ sodium-23 ซึ่งแก๊สจะกลายสภาพเป็นสสารชนิดใหม่ เรียก Bose-Einstein Condensate (BEC) ที่อะตอมทุกตัวในแก๊สจะอยู่ในสถานะเดียวกันหมด ทำให้เกิดเป็นอะตอมที่มีขนาดใหญ่ มากจนเราสามารถเห็นได้ด้วยตาเปล่า (ตาคนเราไม่สามารถเห็นอะตอมได้ แต่เห็น BEC ได้)

นอกจากนี้ก็มีตัวนำยวดยิ่ง (superconductor) ซึ่งเป็นของแข็งที่ไม่มีความต้านทานไฟฟ้าเลยแม้แต่น้อย (คือ สภาพต้านทานไฟฟ้า มีค่าเป็นศูนย์) กระแสไฟฟ้าจึงสามารถไหลผ่านไปในลวดที่ทำด้วยตัวนำยวดยิ่งได้ โดยไม่ได้ทำให้ลวดร้อนขึ้นแต่ประการใด กำลังของกระแสไฟฟ้าจึงไม่ตก สมบัติที่พิเศษสุดอีกประการหนึ่งของสสารประเภทนี้ คือ ผลักสนามแม่เหล็ก ดังนั้นวิศวกรจึงนำตัวนำยวดยิ่งมาใช้ในการสร้างรถไฟเหาะ (maglev มาจากคำ magnetically levitation) ที่มีความเร็วสูงถึง 600 กิโลเมตร/ชั่วโมงได้ และใช้สร้างอุปกรณ์ทางการแพทย์ เช่น เครื่อง MRI (Magnetic Resonance Imaging) และเครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูง Large Hadron Collider (LHC) เพราะอุปกรณ์เหล่านี้ จำเป็นต้องใช้สนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงมากในการทำงาน ซึ่งสนามดังกล่าวจะเกิดขึ้นได้ ถ้าใช้ลวดตัวนำที่ทำด้วยตัวนำยวดยิ่งเท่านั้น เพราะถ้าใช้ลวดตัวนำธรรมดา เวลามีกระแสไฟฟ้ามาก ลวดตัวนำธรรมดาจะร้อนจนลวดหลอมเหลว คุณประโยชน์สำคัญอีกประการหนึ่งของตัวนำยวดยิ่ง คือ ใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ของคอมพิวเตอร์ธรรมดา และคอมพิวเตอร์ควอนตัม

สสารที่เป็นตัวนำยวดยิ่งในธรรมชาติมีมากมายนับแสนชนิด ที่เป็นธาตุ ได้แก่ niobium ปรอท ขณะมีอุณหภูมิต่ำกว่า 9.25K และ 4.15K ตามลำดับ ส่วนที่เป็นสารประกอบเซรามิก ได้แก่ yttrium barium copper oxide YBa2Cu3O7 (YBCO (Y123)) ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 92K เป็นต้น

ณ วันนี้โลกวัสดุศาสตร์กำลังตื่นเต้นกับวัสดุอัศจรรย์ชนิดใหม่ ที่มีสมบัติเหนือจริง ประหลาด และเหลือเชื่ออีกหลายชนิด เช่น supersolid, time crystal, topological insulator, memory metal


ของแข็งยวดยิ่ง (supersolid) เป็นของแข็งที่สามารถแสดงสมบัติความเป็นของแข็ง (solid) ธรรมดา และของไหลยวดยิ่ง (superfluid) ได้ ในเวลาเดียวกัน คือ พร้อมกัน

สำหรับของแข็งที่เป็นผลึก มีสมบัติสำคัญ คือ อะตอมจัดเรียงอยู่กันอย่างเป็นระเบียบ คือ เป็นคาบ (period) และในลักษณะของผลึก และไม่เคลื่อนที่สะเปะสะปะ ส่วนของเหลวยวดยิ่งนั้น มีอะตอมที่สามารถเคลื่อนที่ได้ และเหตุการณ์การมีสมบัติที่ขัดแย้งกันนี้ สามารถบังเกิดได้ใน supersolid เมื่ออะตอมส่วนหนึ่งเคลื่อนที่ได้ และอีกส่วนหนึ่งอยู่กับที่

Alexander Andreev (1939-ปัจจุบัน) กับ Ilya Lifshitz (1917–1982) นักฟิสิกส์ทฤษฎีชาวรัสเซีย ได้ทำนายว่า ธรรมชาติอาจจะมีสสารชนิดนี้ได้เวลา ช่องว่าง (gap หรือ vacancy) ที่มีในของแข็งเคลื่อนที่

ดังนั้นเมื่อ Kim กับ Chan ได้พบว่า T ลดค่า เขาก็อ้างว่าได้เกิด superfluid ใน He-4 แล้ว

การทดลองโดยนักวิจัยคนอื่นๆ เพื่อตรวจสอบการทดลองนี้ ได้พบว่า T คาบที่ลดลง มิได้เกิดจาก superfluid แต่เกิดจากการเปลี่ยนค่า shear modulus ของ He-4

ณ วันนี้ นักวัสดุศาสตร์ได้พบสสาร supersolid ในแก๊สที่มีอุณหภูมิต่ำมาก ๆ (ultra cold atomic gases) พวกอะตอม dipolar เช่น แก๊ส dysprosium (Dy-66) กับ erbium (Er-64) ซึ่งมีอันตรกิริยาแบบ dipole ต่อกัน จึงทำให้เกิด BEC แบบ dipolar ส่วนอะตอมที่มี magnetic หรือ electric dipole moment นั้น ก็สามารถทำให้เกิด spin orbit coupled BEC ที่เป็น supersolid ได้เช่นกัน






การทดลองโดยนักวิจัยคนอื่นๆ เพื่อตรวจสอบการทดลองนี้ ได้พบว่า T คาบที่ลดลง มิได้เกิดจาก superfluid แต่เกิดจากการเปลี่ยนค่า shear modulus ของ He-4

ณ วันนี้ นักวัสดุศาสตร์ได้พบสสาร supersolid ในแก๊สที่มีอุณหภูมิต่ำมาก ๆ (ultra cold atomic gases) พวกอะตอม dipolar เช่น แก๊ส dysprosium (Dy-66) กับ erbium (Er-64) ซึ่งมีอันตรกิริยาแบบ dipole ต่อกัน จึงทำให้เกิด BEC แบบ dipolar ส่วนอะตอมที่มี magnetic หรือ electric dipole moment นั้น ก็สามารถทำให้เกิด spin orbit coupled BEC ที่เป็น supersolid ได้เช่นกัน


ในอดีตที่นักฟิสิกส์เคยใช้อะตอมเท่านั้นในการสร้าง supersolid เมื่อเร็วๆ นี้ในวารสาร Science ฉบับวันที่ 5 มีนาคม ปี 2025 ทีมวิจัยจาก National Research Council ของอิตาลี ซึ่งมี Damien Pine เป็นหัวหน้า ได้รายงานการค้นพบที่สำคัญ คือ พวกเขาได้สามารถแปลงแสงเป็น supersolid ได้เป็นครั้งแรก โดยสามารถทำให้แสงเคลื่อนที่ในสสารได้เหมือนของเหลว supersolid ที่ทำด้วยแสงนี้ จะมีประโยชน์ในการใช้ทำคอมพิวเตอร์ควอนตัมในอนาคต เพราะจะทำให้หน่วย qubit มีเสถียรภาพยิ่งขึ้น

gallium arsenide เป็นสารกึ่งตัวนำชนิดหนึ่งที่มีกึ่งอนุภาค (quasi particle) เช่น exciton ซึ่งประกอบด้วยอิเล็กตรอนกับ hole ในตัวมัน เวลามีแสงเลเซอร์มากระทบ exciton อนุภาค photon ของแสงจะมีอันตรกิริยากับ exciton ทำให้เกิดอนุภาคใหม่เป็น polariton โดยอาศัยอันตรกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้า อุณหภูมิที่เย็นจัดจะทำให้ polariton ลดพลังงานลง ๆ จนถึงสถานะต่ำสุดในทำนองเดียวกับ ultra cold atomic gas อื่น ๆ นั่นคือ มันจะกลายเป็น supersolid ที่มีประโยชน์ในการใช้ทำสารหล่อลื่นที่ไม่มีความเสียดทาน ใช้ทำคอมพิวเตอร์ควอนตัม และสร้างตัวนำยวดยิ่งชนิดใหม่ได้

ในวารสาร Nature ฉบับวันที่ 16 เมษายน ปี 2025 ที่เพิ่งผ่านมานี้ ทีมนักวิจัยวัสดุศาสตร์จากมหาวิทยาลัย Chicago กับทีมที่มหาวิทยาลัย California วิทยาเขต San Diego ในสหรัฐอเมริกา ได้รายงานการพบวัสดุประหลาดชนิดหนึ่งที่มีพฤติกรรมสวนทางกับความรู้ฟิสิกส์เดิม ๆ อย่างสิ้นเชิง เช่นว่า วัสดุปกติเวลาได้รับความร้อนจะขยายตัว และเวลาถูกอัดด้วยความดัน จะมีปริมาตรน้อยลง คือ หดตัว แต่กลับเป็นว่า วัสดุชนิดใหม่ จะหดตัวเวลาได้รับความร้อน และจะขยายตัว เวลาถูกอัดด้วยความดัน


Ying Shirley Meng นักวิจัยแห่งห้องปฏิบัติการ Pritzker School of Molecular Engineering (PME) แห่งมหาวิทยาลัย Chicago ซึ่งเชี่ยวชาญวิทยาการสาขาวิศวกรรมโมเลกุล ได้พบวัสดุประหลาด (strange material) ที่มีสัมประสิทธิ์การขยายตัวเป็นลบ (negative thermal expansion; NTE) คือ มีค่า -14.42x10^(-6)/ °C ขณะอยู่ในสภาวะเสถียรเสมือน (metastable) หรือกึ่งเสถียร เพราะถ้าสสารถูกรบกวนด้วยพลังงานแม้แต่เพียงเล็กน้อย มันก็จะเสียสภาวะสมดุล คือ เปลี่ยนสภาพไปสู่สภาวะที่เสถียรกว่าในทันที วัสดุชนิดใหม่นี้ ยังมีความว่องไวในการทำปฏิกิริยาเคมีแบบ redox เพราะใช้อะตอมออกซิเจนในการรับ-ส่งอิเล็กตรอนด้วย


วัสดุที่หดตัวเวลาอุณหภูมิเพิ่ม ได้แก่ Zr2W2O8 zirconium tungstate และ zeolite ที่มีสัมประสิทธิ์การขยายตัวเป็นลบ เพราะมีโครงสร้างโมเลกุลเป็นผลึกเปิด ที่สามารถดัดงอได้

ส่วนวัสดุที่ขยายตัว เวลาได้รับความดันนั้นได้แก่ Zn [Au(CN)2]2 zinc bis (aurocyanide) ซึ่งประกอบด้วย Zn ion และ dicyanoaurate anion วัสดุนี้ มีค่าสัมประสิทธิ์ในการอัดเป็นลบ negative linear compressibility (NLC) ซึ่งทำให้โครงสร้างสามารถยืดออกได้ในแนวหนึ่ง ในขณะที่โครงสร้างในแนวอื่นถูกตรึงแน่น

ความเข้าใจในธรรมชาติของสมบัติดังกล่าวนี้ จะช่วยให้นักวิจัยสามารถสังเคราะห์วัสดุชนิดใหม่ ที่มีสัมประสิทธิ์การขยายตัวเป็นศูนย์ได้ นั่นคือ ให้วัสดุมีปริมาตรคงที่ หรือความยาวคงที่ ไม่ว่าอุณหภูมิจะเป็นเท่าใด

วัสดุดังกล่าวจะเป็นวัสดุในฝัน สำหรับใช้ในการก่อสร้างอาคาร เพราะไม่มีวิศวกรคนใดต้องการวัสดุผสมหรือวัสดุประกอบ (composite material) เพราะมันประกอบวัสดุชนิดต่าง ๆ ที่ปริมาตรทั้งหมดจะเปลี่ยน เวลาอุณหภูมิเปลี่ยน แต่วิศวกรไม่ต้องการให้เปลี่ยน

โลกเทคโนโลยีปัจจุบัน มีวัสดุหลายชนิดที่ไม่ขยายตัวเวลาได้รับความร้อน เช่น Invar (Fe-Ni alloy) ซึ่งประกอบด้วยเหล็ก 64% และ nickel 36% ที่นิยมใช้ในการทำนาฬิกา มาตรวัด อุปกรณ์วิทยาศาสตร์ นอกจากนี้ก็มี zerodur ซึ่งเป็นเซรามิกแก้ว ซึ่งมีส.ป.ส.การขยายตัวเท่ากับ 0.02x10^(-6)/ °C ที่ใช้ในการทำเลนส์ของกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Hubble เพราะนักดาราศาสตร์ไม่ต้องการให้เลนส์ขยายตัว หรือหดตัว ซึ่งจะทำให้มันโฟกัสแสงได้ไม่ชัด และมี beta-eucryptite (LiAlSiO4) ซึ่งเป็นเซรามิกแก้วที่มีสัมประสิทธิ์การขยายตัวใกล้ศูนย์หรือเป็นลบด้วย

ปัญหาการระบายความร้อนจากวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่มีขนาดเล็ก ระดับ nanometer และอุปกรณ์ไฟฟ้าต่าง ๆ เป็นปัญหาใหญ่ที่ได้ท้าทายความสามารถของวิศวกรมาตั้งแต่อดีต ซึ่งในบางกรณีวิศวกรต้องการจะถ่ายเท (ระบาย) ความร้อนในทิศทางหนึ่ง และไม่ให้ความร้อนเคลื่อนที่ในในอีกทิศทางหนึ่ง แล้วความประสงค์นี้ก็สัมฤทธิ์ผล ถ้าเขาใช้แผ่นผลิก molybdenum disulfide (MoS2) มาวางเรียงซ้อนกันอย่างสะเปะสะปะ

ในวารสาร Nature 597(7178)660-663 Shi En Kim แห่ง Pritzker School of Molecular Engineering ได้รายงานว่า ถ้านำแผ่น MoS2 มาซ้อนกันเป็นชั้น ๆ ประมาณ 3 ชั้น โดยให้แกนสมมาตรของผลึกที่อยู่ในแนวระนาบของแผ่นทำมุมเอียงต่าง ๆ กันเหมือนลูกบาศก์รูบิค (rubik's cube) เวลาถูกบิดไปเล็กน้อย MoS2 จะสามารถนำความร้อนได้ดีมากในแนวระนาบ แต่ไม่สามารถจะนำความร้อนได้ในแนวตั้งฉากกับระนาบ






ใน วารสาร Nature 597 (7178)660-663 Shi En Kim แห่ง Pritzker School of Molecular Engineering ได้รายงานว่า ถ้านำแผ่น MoS2 มาซ้อนกันเป็นชั้น ๆ ประมาณ 3 ชั้น โดยให้แกนสมมาตรของผลึกที่อยู่ในแนวระนาบของแผ่นทำมุมเอียงต่าง ๆ กันเหมือนลูกบาศก์รูบิค (rubik's cube) เวลาถูกบิดไปเล็กน้อย MoS2 จะสามารถนำความร้อนได้ดีมากในแนวระนาบ แต่ไม่สามารถจะนำความร้อนได้ในแนวตั้งฉากกับระนาบ


คือ มันจะเป็นฉนวนความร้อนในแนวแกน z แต่เป็นตัวนำความร้อนที่ดีมากในระนาบ x-y โดยมีทั้งสองสมบัตินี้ในสสารตัวเดียวกัน แต่มีค่าประสิทธิภาพในการนำความร้อนที่แตกต่างกันมากถึง 900 เท่า คือ เป็นฉนวนที่ดีเท่า ๆ กับอากาศ การมีคุณสมบัติเช่นนี้ จึงทำให้มันเป็นวัสดุวิเศษที่สามารถใช้ทำ computer chip เพื่อกำจัด hotspot ที่จะทำอันตรายวงจรอิเล็กโทรนิกส์ได้

ในวารสาร Nano Letters ฉบับวันที่ 21 ตุลาคม ปี 2024 Yoshihiro Iwasa กับคณะแห่งสถาบันวิจัยฟิสิกส์และเคมีของญี่ปุ่น ได้รายงานการพบว่า โดยการนำ potassium ion แทรกเข้า และรั่วออกใน MoS2 ได้อย่างเหมาะสม และมีการควบคุมอุณหภูมิ MoS2 สามารถเป็นได้ทั้ง superconductor โลหะธรรมดา สารกึ่งตัวนำ และฉนวนได้

สารประกอบ MoS2 นั้น สามารถอุบัติในธรรมชาติได้ 2 รูปแบบ (2 เฟส) คือ แบบ 2H ที่มีสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำ และแบบ 1T ที่มีสมบัติเป็นโลหะธรรมดา

ทีมวิจัยได้เริ่มต้นใช้ทรานซิสเตอร์แบบ field effect แล้วนำไปเชื่อมต่อกับ MoS2 จากนั้นปรับศักย์ไฟฟ้า เพื่อให้สามารถนำ potassium ion แทรกเข้าไประหว่างแผ่น 5 ได้ จน ion มีมากถึงระดับหนึ่ง เฟส 2H ก็จะเปลี่ยนเป็นเฟส 1T ณ เวลานั้น นักวิจัยได้พบว่า ทุก 5 อะตอมที่มี Mo จะมี K 2 อะตอม จากนั้นก็เพิ่ม K ion เข้าไปอีก แล้วลดอุณหภูมิจนถึง 5K ทำให้ MoS2 ที่อยู่ในเฟส 1T เปลี่ยนสภาพไปเป็น superconductor

ครั้นเมื่อปล่อยให้ potassium ion รั่วออก แล้วเพิ่มอุณหภูมิขึ้น จนถึง -193 °C หรือ 80K โลหะ MoS2 ก็จะเปลี่ยนเป็นฉนวน

การเปลี่ยนปริมาณ K ion จึงสามารถควบคุมสมบัติทางกายภาพของสสารได้

อ่านเพิ่มเติมจาก Bland, Thomas; Poli, Elena; Politi, Claudia; Lauritz, Klaus; Norcia, Matthew A.; Ferlaino, Francesca; Santos, Luis; Bisset, Russell N. (13 May 2022). "Two-dimensional supersolidity in a circular trap". Phys. Rev. Lett. 128 (19): 195302. arXiv:2107.06680. doi:10.1103/PhysRevLett.128.195302. PMID 35622047. S2CID 248781709


ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิตสำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์
ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ,นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน,ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์