นักฟิสิกส์จับอะตอมเดี่ยวให้อยู่นิ่ง ถ่ายภาพปฏิกิริยาระดับควอนตัมได้เป็นครั้งแรก

อะตอมรวมตัวกันเป็นโมเลกุลได้อย่างไร ? คำถามนี้อาจฟังดูไม่ยากสำหรับความรู้ทางวิทยาศาสตร์ในปัจจุบัน แต่อันที่จริงแล้ว เรายังไม่ทราบแน่ชัดถึงสิ่งที่เกิดขึ้นในระดับเล็กที่สุดหรือในระดับควอนตัม ซึ่งนักวิทยาศาสตร์จำเป็นจะต้องดักหรือจับยึดอะตอมเดี่ยว ๆ ให้หยุดนิ่งอยู่กับที่ได้เสียก่อน จึงจะสามารถสังเกตกระบวนการรวมตัวเป็นโมเลกุลที่เกิดขึ้นอย่างละเอียดได้

ล่าสุดทีมนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยโอทาโกของนิวซีแลนด์ ใช้เทคนิคพิเศษจับยึดอะตอมเดี่ยวของธาตุรูบิเดียมให้อยู่นิ่งได้สำเร็จเป็นครั้งแรก โดยใช้แสงเลเซอร์เป็นคีมจับอะตอมไว้ในตู้สุญญากาศระดับสูงยิ่งยวด ซึ่งมีอุณหภูมิหนาวเย็นสุดขั้วถึง 1 / 1,000,000 เคลวิน ก่อนจะนำมันไปอยู่ใกล้กับอะตอมที่ถูกจับไว้อีกตัวหนึ่ง เพื่อสังเกตปฏิกิริยาการรวมตัวได้ชัดเจนผ่านกล้องจุลทรรศน์

• นักวิทยาศาสตร์ใช้ "วัตถุหมุนเร็วที่สุดในโลก" ศึกษาควอนตัมของสภาพสุญญากาศ
• ปรากฏการณ์ควอนตัมนำความร้อน "กระโดด" ข้ามช่องว่างสุญญากาศ
• สร้างเครื่องเร่งอนุภาคขนาดจิ๋วบนแผ่นซิลิคอนชิปได้สำเร็จแล้ว

มีการตีพิมพ์รายงานการทดลองครั้งนี้ในวารสาร Physical Review Letters โดยระบุว่าในอดีตนักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถจะศึกษาปฏิกิริยาระหว่างอะตอมเดี่ยวขณะที่รวมตัวกันเป็นโมเลกุลได้ เพราะความสับสนของอะตอมจำนวนมากที่ชนกันและเคลื่อนที่ไปมาอย่างรวดเร็ว

อย่างดีที่สุด นักวิทยาศาสตร์จะทำได้เพียงคำนวณหาค่าเฉลี่ยทางสถิติที่ต้องการทราบ จากกลุ่มของอะตอมที่ถูกทำให้เย็นจัดจนเสมือนมีคุณสมบัติเป็นเนื้อเดียวกันหมดเท่านั้น

รศ. มิกเคล แอนเดอร์เซน หนึ่งในทีมวิจัยของมหาวิทยาลัยโอทาโกบอกว่า "ในครั้งนี้เราจับยึดอะตอมเดี่ยวไว้ 3 ตัว โดยแยกให้อยู่กันคนละที่ในตอนแรก ก่อนจะบังคับให้ค่อย ๆ เคลื่อนเข้ามาใกล้กัน"

"อะตอมสองตัวเกิดพันธะเชื่อมต่อกันเป็นโมเลกุลไดรูบิเดียม (Dirubidium) ในขณะที่อะตอมตัวที่สามแบ่งเอาพลังงานจากการสร้างพันธะออกไปส่วนหนึ่ง จนโมเลกุลที่เกิดขึ้นมีความเสถียร"

ดร. ไมเคิล เวย์แลนด์ สมาชิกของทีมวิจัยอีกผู้หนึ่งบอกว่า "ในทางเคมีแล้ว การก่อตัวของโมเลกุลจะต้องใช้อะตอมอย่างน้อยสามตัวเสมอ แม้โมเลกุลที่เกิดขึ้นจะประกอบด้วยอะตอมเพียงสองตัวก็ตาม ซึ่งในครั้งนี้เราสามารถใช้กล้องชนิดพิเศษจับภาพการเกิดปฏิกิริยาที่ว่าไว้ได้เป็นครั้งแรก"

นอกจากจะจับภาพที่ไม่เคยมีผู้ใดได้เห็นมาก่อนแล้ว ทีมนักวิจัยยังพบว่า กระบวนการก่อตัวของโมเลกุลนั้นเกิดขึ้นช้ากว่าผลที่ได้จากการทดลองและตรวจวัดแบบอื่น แต่ยังไม่สามารถอธิบายถึงสาเหตุของปรากฏการณ์นี้ได้

อย่างไรก็ตาม เทคนิคการจับยึดอะตอมเดี่ยวให้อยู่นิ่ง ยังสามารถนำไปพัฒนาเทคโนโลยีในหลายด้าน เช่นการควบคุมปฏิกิริยาเคมีให้เป็นไปตามต้องการ รวมทั้งการพัฒนาควอนตัมคอมพิวเตอร์ หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เล็กที่สุดในระดับอะตอมอีกด้วย