ในการที่จะเข้าใจความสำคัญของการค้นพบนี้ เราจำเป็นต้องมีความรู้พื้นฐานทางฟิสิกส์บางเรื่องก่อน เช่นธรรมชาติของสภาพนำยวดยิ่ง (superconductivity) ปรากฏการณ์ทะลุทะลวง (tunnelling phenomenon) รอยต่อโจเซฟสัน (Josephson junction) และคิวบิท (qubit)
ตามปกติเวลานักธรณีฟิสิกส์ปัจจุบันต้องการจะรู้ตำแหน่งของแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพ เขาจะใช้อุปกรณ์ตรวจวัดความแปรปรวนของสนามแม่เหล็กโลก ณ สถานที่นั้น
หรือเวลาแพทย์จะวินิจฉัยอาการของคนที่เป็นโรคลมชัก (epilepsy) หรือโรคพาร์กินสัน (Parkinson) เขาจะวัดความแปรปรวนของสนามแม่เหล็กรอบสมองของคนๆ นั้น ขณะเซลล์สมองทำงาน เพื่อให้รู้ตำแหน่งของเซลล์สมองที่ทำงานผิดปกติ
หรือเวลานักฟิสิกส์ต้องการจะสร้างสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงเป็นล้านเท่าของสนามแม่เหล็กโลก เพื่อให้เกิดปฏิกิริยา fusion ที่ได้จากการรวมตัวของนิวเคลียส deuterium กับ tritium หรือเพื่อสร้างอนุภาคมูลฐานชนิดใหม่ในเครื่องเร่งอนุภาค (Large Hadron Collider, LHC) ที่ CERN
ความประสงค์ทั้งหลายดังที่กล่าวมานี้ สามารถบรรลุความมุ่งหมายได้ ถ้าเรามีอุปกรณ์ที่ทำด้วยตัวนำยวดยิ่ง (superconductor) อันเป็นวัสดุที่ยินยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวมันได้ อย่างปราศจากแรงต้านใดๆ นั่นคือ มันเป็นวัสดุที่มีความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์โอห์ม หรือมีสภาพนำไฟฟ้าที่มีค่ามากถึงอนันต์ (infinity) โมห์ (moh) ซึ่งสารตัวนำยวดยิ่งนี้เป็นวัสดุที่มีประโยชน์มาก เพราะอุปกรณ์นั้นจะมีไฟฟ้าไหลผ่าน โดยที่กำลังไฟฟ้าปลายทางไม่ตกเลย และอุปกรณ์ก็จะไม่ร้อนด้วย และนั่นก็หมายความว่าเตารีดไฟฟ้าและหม้อต้มน้ำไฟฟ้าจะต้องไม่ใช้ลวดที่เป็นตัวนำยวดยิ่ง เพราะว่าทั้งเตาไฟฟ้าและหม้อต้มน้ำไฟฟ้าก็จะไม่ร้อนเลย แต่เวลาที่เราต้องการจะสร้างสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงมาก ๆ เราจำเป็นต้องใช้กระแสไฟฟ้าในปริมาณมากถึงระดับล้านแอมแปร์ และกระแสที่มีปริมาณมากเช่นนี้ ถ้าใช้ลวดธรรมดาในการส่งผ่าน ลวดจะร้อนมาก จนลวดหลอมเหลว แต่ถ้าใช้ลวดที่ทำด้วยตัวนำยวดยิ่ง ไม่ว่ากระแสจะมากหรือแรงเพียงใด ลวดก็ยังคงสภาพอยู่ได้
ประวัติวิทยาศาสตร์ได้จารึกว่า เมื่อ Kamerlingh Onnes (1853–1926) ซึ่งเป็นนักฟิสิกส์ชาวเนเธอร์แลนด์ได้ประสบความสำเร็จในการทำแก๊ส helium ให้เป็นของเหลวได้ ในปี 1908 เขาได้ทดลองใช้ฮีเลียมเหลวเป็นสารหล่อเย็นให้วัสดุต่าง ๆ มีอุณหภูมิต่ำทันที และ Onnes ก็ได้ทดลองวัดสภาพต้านทานไฟฟ้าของปรอทบริสุทธิ์ ขณะอุณหภูมิลดต่ำลง ๆ จนใกล้จะถึงศูนย์องศาสัมบูรณ์ และรู้สึกประหลาดใจมากที่เห็นสภาพต้านทานไฟฟ้าของปรอทบริสุทธิ์ได้ลดลงอย่างกระทันหันจนเป็นศูนย์ เมื่ออุณหภูมิของปรอทมีค่าต่ำกว่า 4.2 องศาสัมบูรณ์ และเขาเรียกอุณหภูมินี้ว่า “อุณหภูมิวิกฤต” (critical temperature)
การพบปรากฏการณ์สภาพนำยวดยิ่งทำให้ Onnes ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 1913 นอกจากปรอทแล้ว Onnes ก็ยังได้พบว่า ตะกั่วและดีบุกก็เป็นตัวนำยวดยิ่งได้ ที่อุณหภูมิ 7.33 กับอุณหภูมิ 3.85 องศาสัมบูรณ์ด้วย
ในส่วนของการอธิบายสาเหตุที่ทำให้สสารบางชนิดเป็นตัวนำยวดยิ่งหรือไม่เป็นนั้น ได้มีนักฟิสิกส์ระดับสุดยอดหลายคนพยายามอธิบาย เช่น A. Einstein, W. Heisenberg, W. Pauli, L. Landau, H. London ฯลฯ แต่ไม่ประสบความสำเร็จ จนทำให้คนหลายคนคิดว่า ในตัวนำยวดยิ่งจะต้องมีอันตรกิริยารูปแบบใหม่ที่ยังไม่มีใครรู้จักมาก่อน เพื่อจะได้ใช้อธิบายปรากฏการณ์นี้
อีก 46 ปีต่อมา คือ ในปี 1957 John Bardeen (1908-1991), Leon Cooper (1930-2024) และ Robert Schrieffer (1931–2019) ได้เสนอทฤษฎี BCS (ชื่อนี้ได้จากการนำอักษรตัวแรกในนามสกุลของคนทั้งสาม) ที่ใช้อธิบายสมบัติของตัวนำยวดยิ่ง ซึ่งทฤษฎีนี้มีใจความว่าอิเล็กตรอนที่ตามปกติมีประจุไฟฟ้าเป็นลบ จะผลักกับอิเล็กตรอนด้วยกัน แต่ขณะที่สสารมีอุณหภูมิต่ำมาก ๆ อิเล็กตรอนกลับจะดึงดูดกัน เพราะเวลาอิเล็กตรอนตัวหนึ่งเคลื่อนที่ไปในสสาร มันจะดึงดูดไอออนที่มีประจุบวกให้เคลื่อนที่เข้าหา จนทำให้ในบริเวณนั้นมีความหนาแน่นของประจุบวกค่อนข้างสูงกว่าปกติ อิเล็กตรอนอีกตัวหนึ่งจึงถูกกลุ่มประจุบวกดึงดูดเข้าหามัน เหตุการณ์นี้จึงทำให้ดูเสมือนว่าอิเล็กตรอนตัวแรกดึงดูดอิเล็กตรอนตัวที่สอง โดยอาศัยการสั่นไหวของไอออนเป็นสื่อในการดึงดูด คู่อิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นนี้มีชื่อทางวิชาการว่า คู่คูเปอร์ (Cooper pair) ที่มีประจุ 2e และมีมวล 2m (เมื่อ e และ m คือ ประจุและมวลของอิเล็กตรอนตามลำดับ) โดยที่คู่คูเปอร์นี้มีโมเมนตัมลัพธ์ และ spin ลัพธ์ เท่ากับ 0 เพราะอิเล็กตรอนในคู่คูเปอร์เคลื่อนที่สวนทิศกัน และ spin ก็ชี้ทิศตรงกันข้ามด้วย อนึ่งเวลาตัวนำธรรมดากลายสภาพเป็นตัวนำยวดยิ่ง คู่คูเปอร์ทุกคู่จะมีฟังก์ชันคลื่นเหมือนกันหมด มันจึงเป็นอะตอมขนาดใหญ่ที่เราสามารถเห็นได้ด้วยตาเปล่า
การเสนอทฤษฎี BCS ของคนทั้งสาม มีผลทำให้พวกเขาได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 1972
คู่คูเปอร์นับว่าเป็นสมบัติพิเศษของตัวนำยวดยิ่งทุกตัว ดังนั้นถ้ามีการทำลายคู่คูเปอร์ตัวนำยวดยิ่งก็จะกลายสภาพเป็นตัวนำธรรดมาทันที และพลังงานที่ใช้ในการทำลายคู่คูเปอร์มีชื่อเรียกว่า ช่องว่างพลังงาน (energy gap) ซึ่งจะเกิด ณ ระดับเฟอร์มี (Fermi level) คั่นอยู่ระหว่าง conduction band กับ valence band
ในปี 1960 Ivar Giaever (1919-ปัจจุบัน) ได้ใช้สมบัติการทะลุทะลวงของอิเล็กตรอน วัดค่าช่องว่างพลังงานในตัวนำยวดยิ่งได้เป็นครั้งแรก ส่วน Leo Esaki (1925-ปัจจุบัน) ก็ได้พบและประดิษฐ์ Esaki diode ซึ่งทำงานโดยอาศัยเหตุการณ์ทะลุทะลวงของอิเล็กตรอนในสารกึ่งตัวนำ ด้าน Brian Josephson (1940-ปัจจุบัน) ซึ่งสนใจปรากฏการณ์ทะลุทะลวงในตัวนำยวดยิ่ง โดยคู่คูเปอร์ก็ได้พบว่า เวลานำวัสดุตัวนำยวด
ยิ่งมาทำรอยต่อ (junction) โดยให้มีฉนวนบางๆ ระดับนาโนเมตรคั่นกลาง คู่คูเปอร์ก็จะสามารถไหลผ่านฉนวนได้ ทั้ง ๆ ที่รอยต่อไม่มีแบตเตอรี่มาต่อคร่อมรอยต่อ กระแสที่ได้นี้เป็นกระแสตรง แต่เวลามีเซลล์ไฟฟ้ามาต่อคร่อมรอยต่อ กระแสที่ไหลจะเป็นกระแสสลับ ที่มีความถี่ 2eV/h เมื่อ e คือ ประจุของอิเล็กตรอน และ h คือ ค่าคงตัวของ Planck ส่วน V คือ ความต่างศักย์
การรู้ความถี่ของกระแสไฟฟ้า f และรู้ความต่างศักย์ที่เกิดขึ้น ทำให้หาค่า e/h ได้ และค่าคงตัวนี้ มีชื่อเรียกโดยเฉพาะว่า ค่าคงตัว Josephson
คำพยากรณ์ที่ได้จากการคำนวณของ Josephson ได้ถูก Bardeen (เจ้าของรางวัลโนเบลฟิสิกส์ถึง 2 รางวัล จากผลงานการประดิษฐ์ transistor และเสนอทฤษฎี BCS) คัดค้านอย่างรุนแรง การต่อสู้ทางวิชาการระหว่างเด็กหนุ่มที่ยังไม่สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอกกับปราชญ์ผู้ยิ่งใหญ่ ระหว่างคนอ่อนประสบการณ์กับผู้มีประสบการณ์มาก และระหว่างจินตนาการกับความรู้ที่ไม่สมบูรณ์แบบก็ได้เกิดขึ้น แต่ในที่สุด Josephson ก็เอาชนะ Bardeen ได้ เมื่อ Anderson กับ Rowell ได้พบกระแสไฟฟ้า Josephson ไหล อันเป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้น เมื่อคู่คูเปอร์สามารถทะลุทะลวงผ่านฉนวนบางๆ ได้
ชัยชนะครั้งนั้นได้ทำให้ Josephson ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ร่วมกับ Esaki และ Giaever ประจำปี 1973 และทำให้โลกมีอุปกรณ์ SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) ที่มีรอยต่อ Josephson เป็นองค์ประกอบหลัก เพื่อใช้วัดความแปรปรวนที่น้อยนิดของสนามแม่เหล็กได้ นอกจากนี้ก็สามารถใช้ SQUID ตรวจวัดสนามแม่เหล็ก และพยากรณ์เหตุการณ์แผ่นดินไหวก็ได้ด้วย
ในปี 1986 Georg Bednorz (1950-ปัจจุบัน) ชาวเยอรมัน กับ Alexander Müller (1927-2023) ชาวสวิสเซอร์แลนด์ ได้พบวัสดุเซรามิก La2CuO4 lanthanum copper oxide เวลาถูกโด๊ปด้วย barium จะกลายเป็นตัวนำยวดยิ่งที่อุณหภูมิ 35 องศาสัมบูรณ์ ซึ่งมีค่ามากกว่าอุณหภูมิขอบเขตที่ 30 องศาสัมบูรณ์ ซึ่งทุกคนเคยเชื่อกัน วัสดุ La-Ba-Cu-O จึงเป็นตัวนำยวดยิ่งที่มีอุณหภูมิสูงตัวแรกของโลก
ผลการค้นพบนี้ทำให้ Bednorz กับ Müller ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 1987
สถิติอุณหภูมิวิกฤตสูงที่สุด ณ วันนี้เป็นของสาร HgBa2Ca2Cu3O8 ซึ่งมีค่า 134K และ sulfur hydride (H2S) ภายใต้ความดัน 151x10^9 pascal ซึ่งมีอุณหภูมิวิกฤต 203 องศาสัมบูรณ์
สำหรับทฤษฎีที่ใช้อธิบายพฤติกรรมของตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงนั้นก็ยังไม่มีทฤษฎีใดที่สามารถอธิบายสมบัติของมันได้ครอบคลุมหมดทุกมิติ
ในกรณีรางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 2025 ที่ John Clarke (1942-ปัจจุบัน) แห่งมหาวิทยาลัย California วิทยาเขต Berkeley กับทีม อันได้แก่ Michel Devoret (1954-ปัจจุบัน) แห่งมหาวิทยาลัย Yale และ John Martinis (1985-ปัจจุบัน) ได้รับ จากการพบปรากฏการณ์ทะลุทะลวงแบบควอนตัมในวงจรไฟฟ้าว่า ระบบนี้มีพลังงานเป็นหน่วย คือ มิได้มีค่าต่อเนื่องและระบบมีสมบัติด้านความพัวพัน ฯลฯ มันจึงเป็นอะตอมประดิษฐ์ (artificial atom) ที่มีขนาดใหญ่มาก
ในวิชากลศาสตร์ยุคเก่า (classical mechanics) หรือกลศาสตร์แบบฉบับของ Newton
พลังงานทั้งหมด (E) ของอนุภาค = พลังงานจลน์ (1/2mv^2) + พลังงานศักย์ (V)
เมื่อ m คือ มวลของอนุภาค
และ v คือ ความเร็วของอนุภาค
ดังนั้น v^2 = 2/m(E-V)
สมการนี้แสดงให้เห็นว่า ถ้า E>V , เราก็สามารถหาค่าจริงของ v ได้ ซึ่งหมายความว่าอนุภาคสามารถเคลื่อนที่ได้จริง
แต่ถ้า E
แต่ในกรณีอนุภาคควอนตัมของกลศาสตร์ควอนตัม แม้ E จะน้อยกว่า V อนุภาคซึ่งมีสมบัติเป็นคลื่นก็จะทะลุไชชอนเข้าไปในกำแพงศักย์ได้ แต่ถ้ากำแพงนั้นบาง (คือ หนาไม่มาก) อนุภาคก็จะมีโอกาสทะลุผ่านกำแพงได้
การอธิบายเหตุการณ์ทะลุทะลวงนี้ ได้เกิดขึ้นเป็นครั้งแรก เพื่อใช้อธิบายการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี ที่มีการปล่อยอนุภาคแอลฟา (alpha) ออกจากนิวเคลียส โดย George Gamow (1904-1968) ซึ่งเป็นนักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย ได้นำทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมของ Schrödinger มาอธิบายปรากฏการณ์นี้ในปี 1928 ว่า อนุภาคแอลฟา ซึ่งประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนอย่างละ 2 อนุภาค เวลาอยู่ในนิวเคลียสก็จะมีสภาพเหมือนตกอยู่ในปล่องภูเขาไฟ แต่ก็สามารถทะลุภูเขาไฟออกมาได้ โดยใช้หลักการของกลศาสตร์ควอนตัม นี่นับเป็นการใช้กลศาสตร์ควอนตัมที่ได้ประสบความสำเร็จเป็นครั้งแรก จนสามารถอธิบายได้ว่า ธาตุกัมมันตรังสีต่าง ๆ มีครึ่งชีวิตที่แตกต่างกันมาก เพราะเหตุใด เช่น U-238 มีครึ่งชีวิต 4,500 ล้านปี และ Ra-214 (radium) มีครึ่งชีวิตนาน 2.5x10^(-7) วินาที เป็นต้น
ความสำเร็จนี้ได้ทำให้คนบางคนคิดประเมินโอกาสที่นักโทษขณะติดคุก ได้พยายามหลบหนีออกจากคุก โดยเดินชนกำแพงคุก เพื่อใช้ความรู้ทางกลศาสตร์ควอนตัมช่วยในการหนีออกจากคุก
นอกจากกลศาสตร์ควอนตัมจะสามารถอธิบายการเกิดปรากฏการณ์กัมมันตรังสีได้แล้ว หลักการของวิชานี้ก็ยังสามารถอธิบายการทำงานของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (Scanning Tunneling Microscope, STM) และการเกิดปฏิกิริยาแบบ fusion บนดวงอาทิตย์ได้ด้วย
ในความเป็นจริงวิชากลศาสตร์ควอนตัม ได้รับการพัฒนาขึ้นจากความต้องการของนักฟิสิกส์ที่จะอธิบายพฤติกรรมของอะตอม ซึ่งเป็นระบบจุลภาค (microscopic) ที่มีขนาดเล็กระดับนาโนเมตรหรือน้อยกว่า ส่วนกลศาสตร์คลาสสิกนั้น ใช้หลักการของ Newton ที่เหมาะสำหรับการอธิบายสมบัติของระบบที่มีขนาดใหญ่ (มหภาค) (macroscopic) เช่น ดาวเคราะห์ การตกของแอปเปิล และการไหลของน้ำ เป็นต้น
คำถามจึงมีอยู่ว่า วิชาฟิสิกส์มีเส้นแบ่งบริเวณระหว่างกลศาสตร์ควอนตัมกับกลศาสตร์คลาสสิกหรือไม่ และถ้ามี เส้นแบ่งนั้นจะอยู่ ณ ที่ใด
คำถามนี้ ได้จุดประกายให้นักฟิสิกส์โนเบลทั้งสามคนพยายามหาคำตอบด้วยการทดลอง โดยได้รับแรงดลใจจากคำเสนอแนะของ Anthony Leggett (1938-ปัจจุบัน) ซี่งได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 2003 จากการนำเสนอทฤษฎีของเหลวยวดยิ่ง He-3 โดย Leggett ได้แนะว่า ให้ใช้รอยต่อ Josephson เป็นอุปกรณ์ทดลองหลัก เพราะรอยต่อมีอนุภาคร่วม 10^9 อนุภาค และสามารถแสดงปรากฏการณ์ทะลุทะลวงแบบควอนตัมได้
การทำงานของรอยต่อ Josephson เป็นไปตามสมการดังต่อไปนี้ คือ
พลังงานศักย์ของระบบดังสมการ (4) จึงมีลักษณะเป็นลูกคลื่น เหมือนผิวของกระดานซักผ้า (washboard) ที่มีไม้เรียงกันเป็นลอน
แต่ถ้าเป็นอนุภาคควอนตัม มันจะทะลุทะลวงออกจากแอ่ง ผ่านเนินออกไปได้ ดังรูป (d) ซึ่งจะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้า
รูป (c) แสดงอนุภาคแบบคลาสสิกอยู่ในแอ่ง และอนุภาคนี้มีพลังงานต่อเนื่องที่น้อยกว่าพลังงานศักย์ จึงตกค้างอยู่ในแอ่งตลอดเวลา ทำให้แรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์
รูป (d) พลังงานของอนุภาคควอนตัมในแอ่งจะมีค่าเป็นชั้นๆ (E1,E2) ที่ไม่ต่อเนื่อง แม้พลังงานแต่ละค่าจะมีค่าน้อยกว่าพลังงานศักย์ก็ตาม แต่ก็มีโอกาสทะลุออกจากวงจรได้
ในการกระตุ้นคู่คูเปอร์จากสถานะพื้น ไปเป็นสถานะกระตุ้น อาจจะกระทำได้ โดยส่งคลื่น microwave เข้าไป ซึ่งถ้าพลังงานของคลื่นสอดคล้องกับความแตกต่างของพลังงานระหว่าง E1 กับ E2 คู่คูเปอร์ก็จะรับพลังงานเข้าไป และเคลื่อนที่ออกจากวงจร ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าที่นักทดลองสามารถวัดได้
การทดลองของนักฟิสิกส์ทั้งสาม ได้แสดงให้เห็นว่าวงจรไฟฟ้าที่มีรอยต่อ Josephson สามารถทำหน้าที่เสมือนเป็น qubit ได้ นี่จึงเป็นเทคโนโลยีรูปแบบใหม่ ที่ใช้ superconducting qubit ในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้
นอกเหนือจากการทำ qubit รูปแบบอื่นๆ อันได้แก่ (1) trapped ion qubit (2) spin qubit (3) photonic qubit (4) neutral atom qubit และ (5) topological qubit
ดังนั้นในอนาคตอันใกล้นี้ นอกจากจะมีวิศวกรไฟฟ้า, วิศวกรโยธาม วิศวกรเครื่องกล โลกก็จะมีวิศวกรควอนตัมด้วย
อ่านเพิ่มเติมจาก "Quantum-tunnelling time is measured using ultracold atoms – Physics World". 22 July 2020.
ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิตสำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์
ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ,นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน,ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์
