จัดไปทีละดอก... หลอด LED เพชรผลิตโฟตอนทีละตัว

By: terminus
Writer
on Wed, 18/04/2012 - 02:30

โฟตอนคืออนุภาคของแสง แค่กดเปิดหลอดไฟอ่านหนังสือ 1 วินาที เราก็ได้โฟตอนออกมาเป็นหมื่นๆ แสนๆ ตัวแล้ว แต่การผลิตโฟตอนทีละตัวนั้นเป็นคนละเรื่องเลย นักฟิสิกส์สามารถผลิดโฟตอนเดี่ยวๆ ได้จากอะตอม, ไอออน, โมเลกุล, quantum dot ของสารกึ่งตัวนำ แต่นั่นก็ล้วนแต่ต้องทำในอุณหภูมิเย็นจัดเท่านั้น

ทีมวิจัยชาวญี่ปุ่นที่นำโดย N. Mizuochi แห่ง Osaka University ค้นพบวิธีสร้างเม็ดโฟตอนทีละตัวในแบบที่ไม่จำเป็นต้องใช้ความเย็นจัดในกระบวนการเลยแม้แต่น้อยด้วย LED พิเศษที่ทำจากเพชร

ตามปกติเพชรไม่นำไฟฟ้า แต่เมื่อใส่สารเจือปนบางอย่างเข้าไปหรือที่เรียกว่า doping เพชรจะมีคุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำขึ้นมาได้ เช่น โบรอน, ฟอสฟอรัส, ไนโตรเจน โดยเฉพาะไนโตรเจนที่พอเข้าไปแทรกแทนอะตอมอยู่ในผลึกเพชรแล้วจะทำให้เกิดช่องว่าง (vacancy) ขึ้นในตำแหน่งข้างๆ เรียกโครงสร้างนี้ว่า nitrogen-vacancy (N-V)

รอบๆ อะตอมของไนโตรเจนในผลึกเพชรจะมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวเหลือ ในขณะที่ vacancy ที่เป็นช่องก็จะเหมือนหลุมที่ขาดอิเล็กตรอน พยายามหาทางรับอิเล็กตรอนตลอดเวลา

นักวิจัยสามารถปรับแต่ง N-V ในเพชรให้มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าได้สองแบบ ซึ่งทำหน้าที่ได้เหมือนกับ n-type และ p-type แบบสารกึ่งตัวนำที่เอามาใช้ทำไดโอด (ใน LED ที่เป็นไดโอดสารกึ่งตัวนำ อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากฝั่ง n-type ไปฝั่ง p-type ได้เพียงทางเดียว พออิเล็กตรอนจาก n-type วิ่งไปตก "หลุม" ในรอยต่อระหว่าง n-type กับ p-type มันก็จะคายพลังงานออกมาในรูปของโฟตอนหรือแสง และเป็นที่มาของชื่อ light-emitting diode หรือ LED นั่นเอง)

จากนั้นนักวิจัยก็จับเอาเพชร n-type กับ p-type มาประกบกัน แล้วต่อเข้ากับวงจรไฟฟ้าที่ใช้ขั้วเป็นโลหะผสมของทองคำ-แพลตตินัม-ไททาเนียม เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไป อิเล็กตรอนก็จะวิ่งจากเพชร n-type มาตกหลุมในเพชร p-type เหมือนไดโอดทั่วไป ต่างกันตรงที่ว่าในแต่ละรอบที่ผ่านกระแสไฟฟ้านั้น จะมีอิเล็กตรอนวิ่งไปตกหลุมแค่ตัวเดียว ทำให้เกิดอนุภาคโฟตอนออกมาทีละตัว ถ้าเป็น LED ทั่วไป อิเล็กตรอนจะพากันเฮละโลวิ่งไปตกหลุมอย่างต่อเนื่อง

นี่นับเป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์สามารถผลิตโฟตอนทีละตัวได้ที่อุณหภูมิห้อง! น่าดีใจจริงๆ พวกนักฟิสิกส์จะได้ลดการบ่นเรื่องฮีเลียมไม่พอไปอีกสักหน่อย

ความสำเร็จนี้เปิดโอกาสให้กับการทดลองต่างๆ อย่างหลากหลาย การทดลองที่เกี่ยวกับควอนตัมคอมพิวเตอร์ต้องใช้โฟตอนเดี่ยวๆ ในการศึกษาแทบทั้งนั้น ในการศึกษามาตรวิทยาความละเอียดสูงก็จำเป็น และยังอาจเป็นประตูสู่งานวิจัยแขนงใหม่ๆ ในอนาคตได้อีกด้วย

ที่มาเรื่องและภาพ - Ars Technica

งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ใน Nature Photonics DOI: 10.1038/nphoton.2012.75

9 Comments

hisoft's picture

ชักอยากเห็นภาพหลอดนี้ตอนทำงานถูกถ่ายด้วยกล้องที่ถ่ายแสงวิ่งได้ตัวนั้นเสียแล้ว

The Phantom Thief

zipper's picture

ขนาดของโฟตอนมันใหญ่แค่ไหนกัน ต่อไปเราสามารถสร้างเลเซอร์ที่ยิงโฟตอนมาแค่ทีละตัวแล้วเอามาสลักหรือตัดอะไรได้ไหม หรือว่ามันจะไม่แรงพอที่จะเอาไปทำอะไรได้

churos's picture

computer ในอนาคต chip จะทำด้วยเพชรแทนซิลิกอนแล้วล่ะมั้ง

tontpong's picture

ราคาจะเท่าไรนี่.. เล่นแต่ของแพงทั้งนั้น ขนาดขั้วต่อก้อต้องใช้ Au/Pt/Ti

TOTEETIME's picture

อาจใช้เพชรเทียมทำก็ได้นะครับ ไม่ได้ต้องการความแวววาว เพียงแค่ต้องการคุณสมบัติของการยึดอะตอม และถ้าทำทีละมากๆ ราคาก็ยิ่งถูกลงอีก (ขนาดไม่ทำทีละมากๆ เพชรเทียมก็ไม่ได้แพงมาก)

PaPaSEK's picture

อธิบายจนเกือบจะจบ ท.doping ที่เรียนตอนปวช.1 ครับ

แต่อธิบายแล้วเข้าใจง่ายกว่ามาก

HMage's picture

อนาคตจะคงถูกเรียกว่ายุค Carbon ล่ะมั้ง ทั้งวัสดุทำของใช้ ทั้งมลพิษ

terminus's picture

ถ้าไม่มีอะไรผิดพลาดยุคต่อไปจะคือ ยุคคาร์บอน จริงๆ ครับ ไม่ใช่แค่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ด้วย แต่เทคโนโลยีเคมีก็จะเป็น carbon-based