ในชั้นมัธยม คุณครูวิทยาศาสตร์จะสอนว่า ทุกสิ่งทุกอย่างในโลกประกอบขึ้นจากการรวมตัวกันของอะตอมจำนวนมากมาย แต่เรามองเห็นอะตอมไม่ได้ เพราะมีขนาดเล็กมากระดับหนึ่งในล้านส่วนของเส้นผม เล็กจนเปรียบได้ว่าการมองหาอะตอม 1 ตัวบนเหรียญบาทนั้น ยากเย็นพอ ๆ กับการมองหาเหรียญบาทที่วางอยู่บนดวงจันทร์ ... หลังสัปดาห์วิทยาศาสตร์แห่งชาติปีนี้ผ่านไปไม่นาน คือในวันที่ 10 กันยายน พ.ศ. 2562 นักวิทยาศาสตร์ของมหาวิทยาลัยเชียงใหม่เพิ่งทำสิ่งที่ไม่น่าจะทำได้ หลังจากใช้ความพยายามอย่างเอกอุ... พวกเขาถ่ายภาพ “หนึ่งรูบิเดียมอะตอม” สำเร็จ
ทีมนักฟิสิกส์วิศวกร ประกอบด้วย นางสาวจินดารัศมี พรหมเผ่า นายกฤษณะ สระแก้ว สองนักศึกษาปริญญาโท และอาจารย์ที่ปรึกษา ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร. วรานนท์ อนุกูล (รูปที่ 1) ได้ใช้เลเซอร์และระบบควบคุมที่พัฒนาเองลดอุณหภูมิกลุ่มก๊าซของอะตอมรูบิเดียมลงไปต่ำประมาณ 50 ไมโครเคลวิน (ต่ำกว่าจุดที่เย็นที่สุดในจักรวาลอีกประมาณหนึ่งแสนเท่า) อะตอมกว่าพันล้านตัวถูกหย่อนลงในกับดักแสงเลเซอร์ที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ จึงจะมีเพียงอะตอมเดียวที่ถูกกักขังไว้ (trapped) และสามารถถูกบันทึกภาพได้ด้วยกล้อง CCD ทั้งหมดนี้เกิดขึ้นภายในระยะเวลาเพียงแค่เสี้ยววินาที ในสภาพสุญญากาศระดับเดียวกับบรรยากาศบนดวงจันทร์
รูปที่ 1 คณะนักวิจัยที่ประกอบด้วยอาจารย์และนักศึกษาของห้องปฏิบัติการวิจัย Quantum Atom Optics Laboratory ภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ซึ่งนำโดยผศ.ดร.วรานนท์ อนุกูล (ที่ 5 จากขวา) ส่วนนางสาวจินดารัศมี พรหมเผ่า และนาย กฤษณะ สระแก้ว ยืนอยู่ในลำดับที่ 6 และ 4 จากขวา
หลายท่านอาจคาดหวังจะได้เห็นภาพคล้ายๆลูกปิงปองที่เปรียบเป็นอิเล็กตรอนรายล้อมและโคจรรอบๆ ลูกบาสเกตบอลที่เปรียบเหมือนกับนิวเคลียส ตามจินตนาการจากแบบจำลองของอะตอมในหนังสือเรียน แต่สิ่งที่คณะนักวิจัยกลุ่มนี้วัดได้จริงนั้นเป็นแสง (หรือโฟตอน) ที่ปล่อยออกมาจากหนึ่งอะตอมของรูบิเดียมเมื่อกลับลงจากสถานะโลด (excited state) สู่สถานะพื้น (ground state) แล้วเข้าสู่กล้อง CCD จึงเห็นเป็นเพียงจุดสว่างของแสงดังแสดงในรูปที่ 2 ส่วนกราฟแสดงค่าของสถิติความถี่จากการทดลอง 1,000 ครั้ง เมื่อวันที่ 15 กันยายน พ.ศ. 2562 (รูปที่ 3) เป็นเครื่องพิสูจน์และยืนยันว่าผลลัพธ์มีเพียงสองแบบคือ 0 หรือ 1 อะตอมในกับดักแสงเท่านั้น โดยเส้นสีแดงแสดงความคาดหมายจากทฤษฎี
รูปที่ 2 (ซ้าย) ภาพถ่ายโต๊ะการทดลอง ซึ่งประกอบไปด้วยอุปกรณ์ต่างๆเป็นจำนวนมากที่กว่าครึ่งคณะนักวิจัยได้สร้างขึ้นเอง (ขวา) ภาพของแสง / โฟตอนที่บันทึกได้จากกล้อง CCD แถบสีด้านขวามือแทนระดับจำนวนโฟตอน ดังนั้นตำแหน่งสีเหลืองจึงเป็นจุดที่มีโฟตอนถูกปลดปล่อยออกมามากที่สุด ซึ่งก็คือตำแหน่งของอะตอมเดี่ยวรูบิเดียมนั่นเอง ถ้าไม่มีอะตอมภาพที่เห็นจะเป็นพื้นสีดำทั้งหมด
รูปที่ 3 กราฟผลการบันทึกจำนวนโฟตอนด้วยกล้อง CCD จำนวน 1,000 ครั้ง ที่ใช้เวลาบันทึก 50 มิลลิวินาที / ครั้ง การที่เกิดผลเป็นยอด (peak ซ้ายมือ) ณ ขณะที่ไม่มีอะตอม ก็เนื่องมาจากผลของแสงพื้นหลัง (background) แต่เมื่ออะตอมเดี่ยวปรากฏขึ้นจำนวนโฟตอนจากบริเวณเดียวกันนั้นจะเพิ่มจำนวนขึ้นอีก 150 ตัว (โดยเฉลี่ย) จึงเกิดยอดขวามือขึ้น ทั้งนี้เนื่องมาจากธรรมชาติการกลับสู่สถานะพื้นของอะตอมเดี่ยวรูบิเดียมและมุมตัน (solid angle) ของกล้อง CCD
การมองเห็นอะตอมเดี่ยวได้นี้ ถือได้ว่าเป็นครั้งแรกในประเทศไทยและมีเพียงไม่กี่ห้องวิจัยในโลกที่ทำได้แล้ว การแข่งขันกันทั่วโลกเพื่อกักขังและควบคุมอะตอมเดี่ยวนี้ย่อมต้องมีเหตุผลที่ดีอย่างแน่นอนว่า “จะเอาไปทำอะไรได้?”
ผศ.ดร.วรานนท์ อธิบายว่า “อะตอมเดี่ยวดังกล่าวจะถูกใช้เป็นหน่วยประมวลผลและเก็บข้อมูลของคอมพิวเตอร์ควอนตัม อุปกรณ์ที่กำลังจะเปลี่ยนโลกโดยการทำให้นิยายวิทยาศาสตร์กลายเป็นจริง ตัวอย่างเช่น การคำนวณที่เร็วขึ้นเป็นหลายเท่าทวีคูณจะทำให้เราสามารถแก้ปัญหาที่ไม่เคยมีเครื่องมือ หรือวิธีการใด ๆ แก้ได้มาก่อน ความรวดเร็วจะตัดสินผู้ชนะในตลาดหลักทรัพย์และจะก่อกำไรมากกว่าในระยะเวลาอันสั้นกว่า ความสามารถในการจัดการกับข้อมูลขนาดใหญ่อย่างรวดเร็วจะก่อให้เกิดการล่มสลายของเศรษฐศาสตร์แบบดั้งเดิมที่อาศัยแบบจำลองในการคาดเดาตลาดและก่อให้เกิดระบบเศรษฐกิจใหม่ การออกแบบตัวยาชนิดใหม่ ๆ จะทำได้อย่างถูกต้องรวดเร็วและเหมาะสมกับแต่ละบุคคล นอกจากนี้คอมพิวเตอร์ควอนตัมยังใช้ในการค้นหาและประดิษฐ์วัสดุที่มีคุณสมบัติใหม่ ๆ อีกทั้งยังรวมถึงผลกระทบอื่น ๆ มากมายทอดยาวเป็นลูกโซ่”
คณะนักวิจัยคาดหวังว่าความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ครั้งสำคัญยิ่งนี้จะได้รับการสนับสนุนและพัฒนาต่อไปเป็นนวัตกรรมหลากหลายชนิด ไม่เพียงคอมพิวเตอร์ควอนตัม แต่ครอบคลุมทั้งสารสนเทศศาสตร์เชิงควอนตัม (quantum information science) และเซ็นเซอร์ควอนตัม (quantum sensors) อันจะเป็นกำลังสำคัญหนึ่งที่จะช่วยให้เกิดเศรษฐกิจฐานนวัตกรรมขั้นสูงที่มีมูลค่าเพิ่มสูงของประเทศไทยต่อไป
คณะนักวิจัยขอขอบคุณ ศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์, สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน), สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) สำหรับอุปกรณ์วิจัย และที่ลืมไม่ได้เลยก็คือ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ที่เต็มไปด้วยโอกาสอันท้าทาย และมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร สำหรับกล้อง CCD ที่เสมือนมอบ “ตา” ให้ได้ “เห็นอะตอม” อีกทั้งขอขอบคุณนักวิจัยพี่เลี้ยง นายพลณพ สมุทรประภูติ นักศึกษาปริญญาเอก มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด ประเทศสหรัฐอเมริกา, ดร. พิมลพรรณ ส้มเพ็ชร นักวิจัยหลังปริญญาเอก สถาบันวิจัย Max Planck Institute ประเทศเยอรมนี และ ดร. จิรวัฒน์ ตั้งปณิธานนท์ นักวิจัยหลังปริญญาเอก ศูนย์วิจัย Centre for Quantum Technologies มหาวิทยาลัยแห่งชาติสิงคโปร์ ประเทศสิงคโปร์ สำหรับคำแนะนำ