นักวิจัยคณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ร่วมกับทีมวิจัย ณ ห้องปฏิบัติการวิจัยใน Department of Quantum Many-Body Systems, Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) เยอรมนี ร่วมกันศึกษาวิจัยการจำลองเชิงควอนตัมของระบบอะตอมเย็นยิ่งยวด เพื่อการตรวจพบเฟสทอพอโลยีในสายโซ่สปิน ผลงานได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature ซึ่งเป็นวารสารชั้นนำของโลกที่มี impact factor สูงสุดของสายวิทยาศาสตร์ คือ 49.962 ในปี 2020-2021
ผลงานวิจัยการจำลองเชิงควอนตัมของระบบอะตอมเย็นยิ่งยวด เพื่อการตรวจพบเฟสทอพอโลยีในสายโซ่สปิน
(Realizing the symmetry-protected Haldane phase in Fermi–Hubbard ladders)
งานวิจัยนี้ ทีมนักวิจัยได้ใช้ประโยชน์จากเทคนิคพิเศษในกลศาสตร์ควอนตัมเพื่อตรวจวัดคุณสมบัติของเฟสทอพอโลยี (Topology phase) ที่เรียกว่า “เฟสฮาลเดน (Haldane phase)” ในระบบอะตอมเย็นยิ่งยวดที่ถูกกักขังในบ่อศักย์ที่สร้างจากแสง
สสารในธรรมชาติสามารถมีได้หลายเฟส ซึ่งสามารถเปลี่ยนจากเฟสหนึ่งไปยังอีกเฟสหนึ่งได้ ยกตัวอย่างเช่น น้ำ ซึ่งจะสามารถอยู่ในรูปแบบของเหลว ของแข็ง หรือ ไอน้ำ ก็ได้ โดยสมบัติทางฟิสิกส์ที่เรียกว่าเฟสที่ต่างกันนี้เป็นผลองค์ประกอบทางเคมีของสารหนึ่งๆ ที่เหมือนกันแต่มีการจัดเรียงลำดับโครงสร้างภายในที่แตกต่างกัน โดยขึ้นอยู่กับปัจจัยแวดล้อมภายนอก เช่นหากมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิหรือความดันที่มากพอ จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเฟสของน้ำขึ้นได้ อย่างไรก็ตาม บางสสารกลับไม่สามารถเปลี่ยนแปลงเฟสแบบนี้ได้ เนื่องจากเฟสเหล่านั้นได้ถูกปกป้องไว้ด้วยบางรูปแบบของสมมาตร (symmetry) ยกตัวอย่างเช่น สมมาตรระหว่างการสะท้อน (reflection) หรือระหว่างการหมุน (rotation) มีเพียงแค่การทำลายสมมาตรเท่านั้นที่จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของเฟสในสารเหล่านี้ได้ เฟสที่ถูกปกป้องไว้นี้เรียกว่าเฟสทอพอโลยี แนวคิดเริ่มแรกของเฟสทอพอโลยีได้ถูกเสนอโดย Prof. Duncan Haldane ซึ่งผลงานนี้ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2016
ศาสตราจารย์ Haldane ได้อธิบายเฟสทอพอโลยีผ่านระบบสายโซ่สปินของอนุภาคสปิน-1 ประเภทแอนติเฟร์โรแมกเนติก (antiferromagnetic spin-1 chains) โดยสปินถือเป็นคุณสมบัติอย่างหนึ่งเชิงควอนตัมของอนุภาค ซึ่งสามารถอธิบายอย่างง่ายได้ด้วยโมเดลโมเมนตัมเชิงมุมของอนุภาคที่มีการหมุนรอบแกนของตัวมันเอง สำหรับในสสารประเภทแอนติเฟร์โรแมกเนติก สปินเลือกที่จะมีทิศการหมุนตรงข้ามกับสปินข้างเคียง สิ่งเหล่านี้นำไปสู่การเรียงลำดับของสปินซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะไม่สามารถถูกตรวจวัดได้ในการวัดแบบดั้งเดิม เพราะการที่จะตรวจพบลำดับของสปินนี้ได้นั้นจำเป็นจะต้องวัดสปินทั้งหมดของอะตอมแต่ละตัวพร้อมๆ กัน ซึ่งไม่สามารถทำได้ในระบบของแข็งทั่วไป แต่ในตอนนี้ทีมนักวิจัยได้ประสบความสำเร็จในการตรวจวัดลำดับสปินดังกล่าวในระบบอะตอมเย็นยิ่งยวดที่ถูกกักขังในบ่อศักย์เชิงแสง โดยสปินของแต่ละอะตอมถูกตรวจวัดผ่านกล้องจุลทรรศน์กำลังขยายสูง ทำให้ทีมนักวิจัยสามารถตรวจพบลำดับที่ซับซ้อนของสปินที่ซ่อนอยู่ภายใน โดยลำดับนั้นได้แสดงถึงคุณสมบัติของเฟสฮาลเดน
ภาพวาดแสดงหลักการทางทฤษฎีที่ใช้ในงานวิจัย (a) ทางด้านซ้ายเป็นภาพวาดแสดงถึงพลังงานศักย์ของแลตทิสเชิงแสงที่ใช้ ทางด้านขวาเป็นตัวอย่างภาพถ่ายของอะตอมที่เตรียมได้จากการทดลองแสดงถึงระบบอะตอม 14 ตัว (สีเขียว) ที่มีสปิน-1/2 และมีการจัดเรียงแบบพิเศษ (b) ภาพแสดงการรวมสองสปิน-1/2 ให้เป็นหนึ่งสปิน-1 เพื่อสร้างระบบสายโซ่สปิน-1 [1]
ในงานวิจัยนี้ ดร.พิมลพรรณ ส้มเพ็ชร อาจารย์ประจำคณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ร่วมกับทีมวิจัย ณ ห้องปฏิบัติการวิจัย ใน Department of Quantum Many-Body Systems, Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ), Germany ซึ่งอยู่ภายใต้การดูแลของ Prof. Dr. Immanuel Bloch ซึ่งเป็นผู้อำนวยการของสถาบันฯ ได้สร้างสสารเทียมขึ้นมาผ่านวิธีการจำลองเชิงควอนตัมโดยใช้อะตอมเย็นยิ่งยวด โดยผลลัพธ์ที่ได้นั้นเป็นสายโซ่สปิน-1 ที่มีลักษณพิเศษตามที่ Prof. Haldane ได้อธิบายไว้
โดยผลงานการค้นพบในครั้งนี้ได้ถูกตีพิมพ์ในวารสาร Nature ซึ่งเป็นวารสารชั้นนำของโลกที่มี impact factor อยู่ที่ 49.962 ในปี 2020-2021 ถือเป็นวารสารที่มี impact factor สูงสุดของสายวิทยาศาสตร์ และเป็นวารสารที่มีการประเมินบทความทางวิชาการโดยคณะผู้ทรงคุณวุฒิ (peer review) อย่างเข้มข้น ซึ่งการที่ผลงานวิจัยได้รับการตีพิมพ์ในวารสารดังกล่าว แสดงให้เห็นว่าผลงานได้รับความสนใจสูง เป็นองค์ความรู้ใหม่ และมีผลกระทบอย่างกว้างขวางในวงการวิชาระดับสูง
ความสำเร็จของนักวิจัยไทย
จากผลงานดังกล่าว แสดงให้เห็นว่าประเทศไทยนั้นมีนักวิจัยทางควอนตัมที่มีศักยภาพระดับโลก พร้อมทั้งมีความร่วมมืออย่างเหนียวแน่นจากสถาบันต่างๆ ภายในประเทศไทยรวมไปถึงเครือข่ายวิจัยจากสถาบันชั้นแนวหน้าของโลก อย่างเช่น MPQ ความสำเร็จในครั้งนี้จึงถือเป็นหนึ่งในก้าวที่สำคัญในการทำวิจัยในด้านเทคโนโลยีควอนตัมของประเทศไทย และเป็นหนึ่งในการเตรียมความพร้อมที่จะเดินหน้าเข้าสู่ยุคของเทคโนโลยีควอนตัมของประเทศ ทั้งนี้ ดร.พิมลพรรณ ระบุว่า “ด้วยศักยภาพที่มีอยู่ของประเทศไทย หากนักวิจัยด้านควอนตัมของประเทศได้รับการสนับสนุนอย่างเหมาะสม ย่อมจะทำให้เกิดงานวิจัยชั้นแนวหน้าระดับโลกที่ทำภายในประเทศได้อย่างแน่นอน”
ขณะนี้ ดร.พิมลพรรณ ร่วมกับ ผศ.ดร.นฤพนธ์ ฉัตราภิบาล และ ดร.นิธิวดี ไทยเจริญ ได้จัดตั้งห้องปฏิบัติการวิจัยการจำลองเชิงควอนตัม (Quantum simulation research laboratory) ซึ่งตั้งอยู่ที่ ภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ โดยมีเป้าหมายหลักเพื่อทำงานวิจัยทางการจำลองเชิงควอนตัมโดยใช้อะตอมเย็นที่อยู่ในสถานะกระตุ้นขั้นสูง (Rydberg-atom quantum simulators) ซึ่งได้รับการสนับสนุนทุนวิจัยทั้งภายในจากมหาวิทยาลัยเชียงใหม่ และภายนอกจากหน่วยบริหารและจัดการทุนด้านการพัฒนากำลังคน และทุนด้านการพัฒนาสถาบันอุดมศึกษา การวิจัยและการสร้างนวัตกรรม (บพค.)
อ่านวารสาร
[1] https://www.nature.com/articles/s41586-022-04688-z