ไขความลับควอนตัมสร้างภาพอิเล็กตรอน 3 มิติสำเร็จบนโต๊ะทดลอง

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเกิตทิงเงน (University of Göttingen) ประเทศเยอรมนี ประสบความสำเร็จในการสร้างภาพจำลอง ฟังก์ชันคลื่น (Wavefunction) แบบ 3 มิติของวงโคจรอิเล็กตรอน (Molecular Orbital) ในโมเลกุลอินทรีย์ขนาดนาโนเมตร โดยใช้เทคนิคการสร้างภาพขั้นสูงร่วมกับแหล่งกำเนิดแสงระดับห้องปฏิบัติการ ถือเป็นก้าวสำคัญในด้านกลศาสตร์ควอนตัม 

สำหรับ ควอนตัมฟิสิกส์ คือทฤษฎีพื้นฐานที่ใช้อธิบายพฤติกรรมของพลังงานและอนุภาคในระดับเล็กกว่าอะตอม (เช่น อิเล็กตรอน โปรตอน หรือโฟตอน) เป็นฐานรากของเทคโนโลยีในชีวิตประจำวันและอนาคตอย่างมหาศาล ซึ่งมักจะถูกอธิบายด้วย "ฟังก์ชันคลื่น" ซึ่งเป็นวัตถุทางคณิตศาสตร์ที่ระบุความน่าจะเป็นของตำแหน่งที่อาจพบอนุภาค และรูปแบบการเคลื่อนที่ของอนุภาคภายในอะตอม  

ล่าสุด ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเกิททิงเงิน ประสบความสำเร็จครั้งสำคัญในการทำให้สิ่งที่เคยมองเห็นได้เพียง 2 มิติ และข้อมูลไม่ครบถ้วน ปรากฏขึ้นเป็นแบบ 3 มิติ และยังสามารถวิเคราะห์ข้อมูลเฟสของคลื่นได้ โดยพวกเขาสามารถสร้างฟังก์ชันคลื่นสามมิติของวงโคจรอิเล็กตรอน ในโมเลกุลสารอินทรีย์ขนาดนาโนเมตรได้สำเร็จ โดยใช้แหล่งกำเนิดแสงในห้องปฏิบัติการร่วมกับวิธีการคำนวณขั้นสูง

งานวิจัยนี้ ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใกล้การบันทึกการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในโมเลกุลแบบเรียลไทม์มากขึ้น แม้ว่าภาพที่สร้างขึ้นใหม่นี้จะไม่ใช่ภาพถ่ายของอิเล็กตรอนที่หยุดนิ่งในอวกาศ แต่ภาพเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงสภาวะควอนตัมที่กำหนดการกระจายตัวของอิเล็กตรอนทั่วทั้งโมเลกุล โดยมีวงโคจรโมเลกุลเป็นตัวควบคุมคุณสมบัติต่าง ๆ ที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมี รวมถึงวิธีที่โมเลกุลดูดกลืนแสง การสร้างพันธะ การถ่ายโอนประจุ และการเปลี่ยนแปลงทางเคมี
เติมซับเฮดไลน์ 

ทีมวิจัยจากเกิททิงเงินใช้เทคนิค Photoemission Orbital Tomography โดยยิงแสงพลังงานสูงใส่โมเลกุลเพื่อให้อิเล็กตรอนสะบัดหลุดออกมา จากนั้นจึงวัดทิศทางและพลังงานของอิเล็กตรอนเหล่านั้นใน มิติโมเมนตัม (Momentum space) ก่อนจะใช้การแปลงฟูเรียร์ (Fourier transform) และกระบวนการทางคณิตศาสตร์คำนวณย้อนกลับ เพื่อแปลงข้อมูลเป็น ภาพมิติพื้นที่จริง (Real-space image) ซึ่งช่วยให้อนุมานและสร้างภาพโครงสร้างควอนตัมของวงโคจรอิเล็กตรอนขึ้นมาได้สำเร็จ

โดยปกติแล้ว การวัดภาพถ่ายอิเล็กตรอนแบบสามมิติมักต้องอาศัยการสแกนอย่างครอบคลุมในเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ แม้จะให้รายละเอียดที่ยอดเยี่ยม แต่ด้วยขนาดและระยะเวลาที่ต้องใช้ ทำให้ยากต่อการนำมาปรับใช้ในการทำการทดลองซ้ำในเวลาจำกัด ในทางกลับกัน วิธีการของทีมเกิททิงสามารถดำเนินการวัดทั้งหมดได้บนระบบโต๊ะทดลองทั่วไป

ความสำคัญของการค้นพบ

การศึกษานี้ถือเป็นก้าวสำคัญในด้านกลศาสตร์ควอนตัม ทำให้สามารถทำความเข้าใจผ่านเห็นภาพจำลอง ขณะเดียวกันก็ยังคงรักษารายละเอียดทางเทคนิคเชิงลึกเอาไว้ ระบบในห้องปฏิบัติการที่สามารถสร้างภาพวงโคจรโมเลกุลสามมิติขึ้นใหม่อาจช่วยให้กลุ่มวิจัยจำนวนมากขึ้นสามารถเข้าถึงเทคนิคขั้นสูง และเปิดโอกาสให้เกิดการวัดผลซ้ำภายใต้สภาวะที่เปลี่ยนแปลงได้ 

หากการพัฒนาต่อในอนาคตประสบความสำเร็จในด้านความละเอียดเชิงเวลา (Temporal resolution) นักวิทยาศาสตร์ก็อาจสามารถสังเกตการจัดเรียงตัวใหม่ของอิเล็กตรอนระหว่างเกิดปฏิกิริยาเคมีได้ ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงหนึ่งในแนวคิดที่เป็นนามธรรมที่สุดของกลศาสตร์ควอนตัม ให้กลายเป็นปรากฏการณ์ทางโมเลกุลที่สามารถสังเกตและมองเห็นการเปลี่ยนแปลงได้จริง

ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature Communications วันที่ 19 มิถุนายน