นักวิจัยไทยพัฒนา “เซนเซอร์ควอนตัม” จากเพชร เปิดทางอนาคตการแพทย์ หรือแม้แต่ระบบนำทางแบบไม่พึ่ง GPS

ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี (มทส.) ประสบความสำเร็จในการพัฒนาเทคนิคใหม่สำหรับ "เซนเซอร์ควอนตัมจากผลึกเพชร" ที่สามารถตรวจวัดได้ทั้งความเข้มและทิศทางของสนามแม่เหล็กในรูปแบบ 3 มิติได้อย่างแม่นยำ โดยก้าวข้ามข้อจำกัดเดิมด้วยการไม่ต้องสร้างสนามแม่เหล็กอ้างอิงเพิ่มเข้าไปในระบบ เปิดทางสู่การพัฒนาการแพทย์ อิเล็กทรอนิกส์ หรือแม้แต่เป็นทางเลือกในระบบนำทางแทน GPS ซึ่งเป็นยุทธศาสตร์ความมั่นคงระดับประเทศ

เพชร: แกนกลางการพัฒนาเซนเซอร์ระดับควอนตัม

หนึ่งในหัวข้อการศึกษาการสร้างเซนเซอร์จากหลักการทางควอนตัมฟิสิกส์ ก็คือการใช้โครงสร้างในระดับอะตอมของแร่ธาตุต่าง ๆ มาเป็นเซนเซอร์หลากหลายรูปแบบ รวมถึงเซนเซอร์วัดสนามแม่เหล็กที่เป็นหนึ่งในกระแสสำคัญของโลกการวิจัยในปัจจุบัน

โดยพื้นฐานแล้ว ภายในโครงสร้างผลึกระดับอะตอมของเพชร จะมีรูปแบบผลึกที่เรียกว่า NV Center (Nitrogen-Vacancy Center) ซึ่งมีคุณสมบัติไวต่อสนามแม่เหล็กเมื่อได้รับการกระตุ้นด้วยคลื่นแสง

จากคุณสมบัติดังกล่าว ทำให้ในทางทฤษฎีแล้วสามารถนำมาใช้อ่านค่าความเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กได้ เนื่องจากโครงสร้าง NV Center สามารถทำงานได้ในสภาวะแวดล้อมทั่วไปและที่อุณหภูมิห้อง 

นักวิจัยไทยพัฒนาวิธีใช้เพชรเป็นเซนเซอร์ควอนตัมที่มีประสิทธิภาพ

อย่างไรก็ตาม การวัดสนามแม่เหล็ก 3 มิติ ด้วย NV Center จำเป็นต้องใช้สนามแม่เหล็กอ้างอิง (Reference Magnetic Flux) เพื่อช่วยจำแนกว่าสัญญาณที่ตรวจพบมาจาก NV Center ซึ่งวางตัวอยู่ในทิศทางใดของผลึกเพชร แต่การเพิ่มสนามอ้างอิงทำให้ระบบมีส่วนประกอบมากขึ้น ต้องควบคุมสนามอย่างแม่นยำ และอาจรบกวนตัวอย่างที่ต้องการตรวจวัดในเชิงควอนตัมได้

ด้วยเหตุนี้ ทีมวิจัยโดย ผศ. ดร.สรวิศ แสงทวีสิน ร่วมกับนักศึกษาในทีม ได้แก่ นายศุภวิชญ์ งอนสำโรง นายณภูมิ ธูปพนม และนายพอเจตน์ สุดจิตต์ จากสาขาวิชาฟิสิกส์ สำนักวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี จึงพัฒนาแนวทางในการวัดค่าจาก NV Center โดยฉายแสงเลเซอร์เข้าสู่เพชรในมุมเอียง และปรับทิศทางโพลาไรเซชันของแสง (Polarization anisotropy)

รายละเอียดงานวิจัยไทยทำเซนเซอร์ควอนตัมจากเพชร

ทั้งนี้ หากพิจารณาแสงเป็นคลื่นประเภทหนึ่ง ในทางฟิสิกส์จะพบว่าคลื่นแสงมีการเดินทางออกมาในทุกทิศทางจากแหล่งกำเนิดแสง และยังพบว่าคลื่นแสงสามารถจัดระเบียบเส้นทางการเดินทางของคลื่นให้เป็นระนาบหรือแนวเดียวกันได้ 

คุณสมบัตินี้ มีชื่อเรียกว่า Polarization ซึ่งนำมาใช้ประโยชน์ในชีวิตประจำวันมาโดยตลอด เช่นแว่นกรองแสงหรือแว่นกันแดด ที่บังคับเส้นทางเดินแสงให้เหลือแค่รูปแบบที่กำหนด จนลดความเข้มแสงลง แต่ยังมองเห็นได้ หรือแม้แต่หน้าจอมอนิเตอร์ LCD, LED ต่าง ๆ ที่ใช้หลักการนี้ในการสร้างภาพและเปล่งแสงพุ่งออกมา

กลับมาที่งานวิจัยดังกล่าว ทีมนักวิจัยใช้คุณสมบัติของ NV Center ที่ตอบสนองต่อแสงซึ่งถูกโพลาไรซ์ (Polarized) ในแต่ละทิศทางที่แตกต่างกัน หรือโดยพื้นฐานแล้ว การเปลี่ยนมุมและเปลี่ยนโพลาไรเซชันของแสงจะทำให้เกิดค่าการวัดที่เป็นเอกลักษณ์แตกต่างกัน เสมือน “ลายนิ้วมือทางแสง” ที่จำแนกทิศทางของ NV Center แต่ละกลุ่ม และนำข้อมูลไปคำนวณหาทั้งขนาดและทิศทางของสนามแม่เหล็กได้อย่างครบถ้วน

หรือโดยทั่วไปแล้ว ทีมวิจัยได้อาศัยคุณสมบัติของโครงสร้างผลึกในระดับอะตอมของเพชร ซึ่งจัดเป็นการศึกษาระดับควอนตัมฟิสิกส์ มาสร้างเป็นเซนเซอร์วัดสนามแม่เหล็กที่แม่นยำสูง โดยใช้คุณสมบัติเชิงแสงเป็นแกนกลางในการพัฒนา ทำให้ลดความคลาดเคลื่อนลงไป อีกทั้งยังมีขนาดเล็กและพกพาได้จริง

เซนเซอร์ควอนตัมจากเพชรมีประโยชน์ต่อประเทศไทยอย่างไร ?

ผลที่ได้จากการวิจัยดังกล่าว จะสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้อย่างกว้างขวาง ตั้งแต่งานทางการแพทย์ เช่น การตรวจวัดสัญญาณแม่เหล็กที่เกิดจากเซลล์ประสาทและการทำงานของสมอง งานด้านอิเล็กทรอนิกส์ เช่น การตรวจสอบวัสดุแม่เหล็กและการไหลของกระแสไฟฟ้าขนาดเล็กในอุปกรณ์ต่าง ๆ ไปจนถึงการศึกษาปรากฏการณ์ระดับจุลภาคที่เครื่องมือทั่วไปตรวจวัดได้ยาก

นอกจากนี้ ระบบเซนเซอร์ควอนตัมจากเพชรตัวนี้ ยังมีโอกาสประยุกต์ใช้กับระบบนำทางที่สามารถทำงานได้โดยไม่ต้องพึ่งพาสัญญาณ GPS ซึ่งในต่างประเทศมีการนำเสนอเซนเซอร์คล้ายกันตามที่ TNN Tech รายงานก่อนหน้านี้ ที่เป็นกุญแจสำคัญต่อทั้งการบินพลเรือน หรือแม้แต่การใช้งานระดับกิจการความมั่นคงของประเทศได้ในอนาคตอีกด้วย

โดยงานวิจัยดังกล่าวที่มีชื่อผลงานว่า "Optically assigned vector magnetometry with nitrogen-vacancy center ensembles in diamond via polarization anisotropy" ได้รับการตีพิมพ์เผยแพร่ในวารสารวิชาการชั้นนำระดับโลกอย่าง Scientific Reports ในเครือ Nature แล้ว เมื่อวันที่ 25 เมษายนที่ผ่านมา