ความก้าวหน้าครั้งสำคัญในวงการฟิสิกส์ นักวิทยาศาสตร์นานาชาติรวมถึงทีมจากสถาบันพัฒนาและส่งเสริมมาตรฐานทางวิทยาศาสตร์ และเทคโนโลยี (NIST) สหรัฐอเมริกา สร้างปรากฏการณ์ใหม่ โดยอาศัยหลักการของลำแสงแอร์รี (Airy beams) หรือลำแสงที่สามารถโค้งงอเองได้ระหว่างการเคลื่อนที่โดยไม่กระจายตัวและยังสามารถซ่อมแซมตัวเองได้เมื่อถูกขัดขวาง มาใช้ในการควบคุมอนุภาค "นิวตรอน" ให้เคลื่อนที่เป็นเส้นโค้งได้สำเร็จ โดยสามารถนำเทคนิคนี้ไปใช้ในการศึกษาคุณสมบัติของวัสดุที่วิธีการอื่นเข้าถึงได้ยากให้เข้าถึงได้ง่ายมากขึ้น

ที่มาของภาพ
nist.gov

ลำแสงเคลื่อนที่เป็นเส้นโค้ง

เป็นครั้งแรกในสาขาฟิสิกส์ ทีมนักวิทยาศาสตร์ได้คิดค้นวิธีที่จะทำให้ลำแสงนิวตรอนเคลื่อนที่เป็นเส้นโค้งได้ โดย "ลำแสงแอร์รี" (Airy beams) ที่ว่านี้ สร้างขึ้นจากอุปกรณ์พิเศษที่ทีมวิจัยพัฒนาขึ้นเอง และมีคุณสมบัติเด่นคือสามารถโค้งงอเลี่ยงสิ่งกีดขวางได้ ซึ่งอาจช่วยเพิ่มความสามารถของการใช้งาน "นิวตรอน" ในการเผยข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับโครงสร้างและคุณสมบัติของวัสดุหลากหลายประเภท ตั้งแต่เภสัชภัณฑ์ น้ำหอม ไปจนถึงสารกำจัดศัตรูพืช

ดร. ไมเคิล ฮูเบอร์ (Michael Huber) นักวิทยาศาสตร์จาก NIST กล่าวว่า "เรารู้จักรูปแบบคลื่นนำทางตัวเองที่แปลกประหลาดเหล่านี้มาสักระยะหนึ่งแล้ว แต่จนถึงขณะนี้ยังไม่มีใครเคยสร้างมันด้วยนิวตรอนมาก่อน ความสำเร็จนี้จึงเป็นการเปิดโอกาสใหม่ในการควบคุมลำแสงนิวตรอน ซึ่งอาจนำไปสู่การสำรวจโครงสร้างภายในวัสดุ หรือตอบคำถามสำคัญในทางฟิสิกส์ได้"

พฤติกรรมที่ต่างจากแสงทั่วไป

นอกจากการเคลื่อนที่เป็นเส้นโค้งแล้ว ลำแสงแอร์รียังแสดงพฤติกรรมที่น่าสนใจอื่น ๆ ที่ขัดต่อธรรมชาติของการเดินทางของแสงที่เราเข้าใจ เช่น การไม่กระจายตัวเมื่อเคลื่อนที่ และความสามารถในการสมานตัวของแสง (self-healing) หรือการรักษาตัวเองให้กลับมาเป็นแบบเดิม หรือก็คือ หากมีสิ่งกีดขวางบดบังบางส่วนของลำแสง แสงส่วนที่เหลือจะสามารถกลับคืนสู่รูปร่างเดิมได้ หลังจากทะลุสิ่งกีดขวางนั้นไปแล้ว 

แม้ว่าจะมีทีมวิจัยอื่น ๆ จะเคยสร้างลำแสงแอร์รีนี้จากอนุภาคอื่น ๆ มาแล้วเช่น โฟตอน หรือ อิเล็กตรอน แต่การควบคุมนิวตรอนให้เป็นลำแสงแอร์รีนั้นมีความท้าทายมากกว่า เนื่องจากเลนส์ทั่วไปไม่สามารถหักเหวิถีของนิวตรอนได้ และเนื่องจากนิวตรอนไม่มีประจุไฟฟ้า สนามไฟฟ้าจึงไม่มีผลกระทบต่อพวกมัน ทีมวิจัยจึงจำเป็นต้องพัฒนาแนวทางใหม่รับมือ 

อุปกรณ์ที่ออกแบบขึ้นใหม่

เหตุนี้นักวิจัยจึงได้ออกแบบและสร้าง "ชุดการเลี้ยวเบนของแสง (a diffraction grating array)" ขึ้นมาเอง ซึ่งเป็นแผ่นซิลิคอนสี่เหลี่ยมจัตุรัสขนาดประมาณหัวยางลบดินสอ ที่มีรอยเส้นตรงขนาดเล็กจำนวนมากขีดไว้ เส้นตรงขนาดเล็กเหล่านี้ ถูกจัดเรียงเป็นตารางสี่เหลี่ยมจัตุรัสขนาดหนึ่งไมโครเมตรมากกว่าหกล้านช่อง โดยเว้นระยะห่างระหว่างกันอย่างแม่นยำ ซึ่งสามารถแยกแสงนิวตรอนธรรมดาให้กลายเป็นลำแสงแอร์รี

และถึงแม้ว่าตัวอุปกรณ์จะดูเรียบง่าย แต่การคิดหาวิธีจัดเรียงรอยขีดข่วนเพื่อสร้างลำแสงแอร์รีนั้นไม่ง่ายเลย โดย ดร. ดมิทรี พุชิน (Dmitry Pushin) อาจารย์ประจำ IQC และศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยวอเตอร์ลู (University of Waterloo) ผู้ร่วมเขียนบทความ กล่าวว่า "เราใช้เวลาหลายปีในการคำนวณขนาดที่เหมาะสมสำหรับแผงนี้ การแกะสลักตะแกรงที่โรงงานนาโนแฟบริเคชันของมหาวิทยาลัยวอเตอร์ลู ซึ่งใช้เวลาเพียงประมาณ 48 ชั่วโมง แต่ก่อนหน้านั้นต้องใช้เวลาหลายปีของนักวิจัยหลังปริญญาเอกในการเตรียมการ"

ประโยชน์ที่เกิดขึ้น

ดร. ฮูเบอร์นักวิทยาศาสตร์จาก NIST กล่าวเสริมว่า ลำแสงนิวตรอนแอร์รีนี้ มีศักยภาพในการปรับปรุงประสิทธิภาพของเทคนิคการถ่ายภาพด้วยนิวตรอน เช่น การเพิ่มความละเอียดของการสแกน หรือการสร้างจุดโฟกัสที่แตกต่างกันเพื่อวิเคราะห์ส่วนเฉพาะของวัตถุได้อย่างละเอียดมากขึ้น ซึ่งจะช่วยพัฒนาเทคนิคการถ่ายภาพที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย เช่น การกระเจิงของนิวตรอนและการเลี้ยวเบนของนิวตรอน

หนึ่งในความเป็นไปได้ที่น่าสนใจที่สุดคือ การนำลำแสงนิวตรอนแอร์รีไปรวมกับลำแสงนิวตรอนประเภทอื่น ๆ ดร. ซาเรนาค (Sarenac) กล่าวว่า "เราเชื่อว่าการรวมลำแสงนิวตรอนเข้าด้วยกันจะสามารถขยายขอบเขตการใช้งานของลำแสงแอร์รีได้ หากผู้ใดต้องการลำแสงแอร์รีที่ปรับให้เหมาะสมกับการใช้งานทางฟิสิกส์หรือวัสดุ พวกเขาสามารถปรับเปลี่ยนเทคนิคของเราและนำไปประยุกต์ใช้ได้"

ทั้งนี้นักวิทยาศาสตร์อาจนำแสงนิวตรอนแอร์รี มาผสมกับคลื่นนิวตรอนแบบเฮลิคอล ซึ่งทีมวิจัยเคยสร้างสำเร็จเมื่อประมาณสิบปีก่อน การรวมกันของแสงทั้งสองประเภทนี้จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาคุณสมบัติที่เรียกว่า "ไครัลลิตี" (chirality) ของวัสดุได้ง่ายขึ้น ซึ่งเป็นคุณสมบัติของวัตถุ ที่ไม่สามารถวางทับกับภาพสะท้อนของตัวเองได้อย่างพอดี คล้ายกับลักษณะที่มือซ้ายและมือขวาไม่เหมือนกัน — ถึงแม้จะมีรูปร่างคล้ายกันแต่ไม่สามารถทับกันได้พอดี

สำหรับการทดลองนี้ได้รับการตีพิมพ์เผยแพร่ในวารสาร Physical Review Letters วารสารวิชาการระดับแนวหน้าทางด้าน ฟิสิกส์ ที่มีชื่อเสียงระดับโลก การพัฒนาวิธีการสำรวจและจำแนกไครัลลิตีที่มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น จะช่วยส่งเสริมการพัฒนายาไครัลที่มีคุณสมบัติและหน้าที่เฉพาะเจาะจง ซึ่งอาจนำไปสู่การปฏิวัติอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น เภสัชกรรม วิทยาศาสตร์วัสดุ และการผลิตสารเคมี