เครื่องวัดสนามแรงโน้มถ่วงด้วยระบบอะตอมเย็นรูบิเดียม

ในปัจจุบันแหล่งพลังงานหลักที่ใช้ขับเคลื่อนโลกของเรานั้นมีอยู่ 2 แหล่งหลัก อันได้แก่ 1) พลังงานจากดวงอาทิตย์  ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานหลักในการขับเคลื่อนระบบนิเวศทางธรรมชาติ, การเจริญเติบโตของพืชพรรณธัญญาหารและการผลิตอาหารของโลกใบนี้ แหล่งพลังงานจากดวงอาทิตย์นี้ถือได้ว่าเป็นแหล่งพลังงานขนาดใหญ่นอกโลกที่ไม่มีวันหมด และถือเป็นแหล่งพลังงานหลักของมนุษย์ชาติในยุคก่อนการปฏิวัติอุตสาหกรรมในช่วงกลางศตวรรษที่ 18 เลยก็ว่าได้ โดยในปัจจุบันดวงอาทิตย์ยังคงเป็นแหล่งพลังานสำคัญที่รอการเก็บเกี่ยวอย่างมีประสิทธิภาพต่อไป 2) พลังงานฟอสซิล อันได้แก่ พลังงานถ่านหิน และปิโตรเลียม ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานที่อยู่ใต้พื้นโลก เกิดจากทับถมของซากพืชซากสัตว์ภายใต้ความดันมหาศาลมาแต่ครั้งดึกดำบรรพ์ แหล่งพลังงานนี้ถูกค้นพบหลังยุคปฏิวัติอุตสาหกรรม ในช่วงก่อนสงครามโลกครั้งที่ 1 โดยถือเป็นแหล่งพลังงานหลักในการขับเคลื่อนอุตสาหกรรมหลังสงครามมาจนถึงปัจจุบัน ด้วยปริมาณที่ถูกคาดการณ์ว่ามีอยู่อย่างเหลือเฟือ ระบบอุตสาหกรรม และสังคมโลกจึงถูกขับเคลื่อนไปด้วยพลังงานฟอสซิล โดยส่วนมากเป็นการพึ่งพิงปิโตรเลียม (น้ำมัน และ ก๊าซธรรมชาติ) เป็นหลัก

แต่ในปัจจุบัน เทคโนโลยีในด้านต่าง ๆ มีการพัฒนาอย่างก้าวกระโดด  โดยเฉพาะการแพทย์มีความทันสมัยและมีประสิทธิภาพมาก ส่งผลให้มนุษยชาติมีอายุยืนยาวขึ้น ส่งผลให้ประชากรโลกเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องด้วยอัตราที่เกินการคาดคะเน อันนำไปสู่ความต้องการทั้งในด้านอาหารและพลังงานที่เพิ่มขึ้นอย่างมหาศาลและหลีกเลี่ยงไม่ได้ ปริมาณปิโตรเลียมใต้พื้นโลกที่เคยมีอยู่อย่างมหาศาลกลับถูกคาดการณ์ว่าจะหมดไปภายใน 30 ปี ซึ่งถือว่ารวดเร็วมาก ประชาคมโลกจึงต้องร่วมมือกันเพื่อหาแหล่งพลังงานทางเลือก เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ และพลังงานชีวภาพ ซึ่งถือเป็นแหล่งพลังงานที่ยั่งยืนสำหรับมนุษยชาติ แต่ในขณะเดียวกัน การสำรวจหาแหล่งพลังงานปิโตรเลียมเพิ่มเติมก็ถือเป็นความจำเป็นอย่างยิ่งยวดที่จะต้องทำควบคู่ไปกับการพัฒนาพลังงานทางเลือก เพื่อเป็นการยืดเวลาและเตรียมความพร้อมให้กับการค้นพบและพัฒนาพลังงานทางเลือกที่จะเกิดขึ้นในอนาคต

โดยในความเป็นจริงแล้ว ได้มีการคาดการณ์ว่ายังมีแหล่งพลังงานฟอสซิลหลงเหลืออยู่มากมายที่ยังไม่ได้ขุดเจาะนำขึ้นมาใช้ หรือไม่ได้รับการสำรวจ เนื่องจากข้อจำกัดในด้านต้นทุนและเทคโนโลยีการขุดเจาะที่ทำให้ไม่สามารถนำแหล่งพลังงานเหล่านี้มาใช้งาน และ เทคโนโลยีการสำรวจที่มีความละเอียดและแม่นยำไม่เพียงพอ โดยในปัจจุบันมีเทคโนโลยีที่ใช้งานอย่างแพร่หลายในการสำรวจปิโตรเลียมได้แก่ การวิเคราะห์แผนที่ทางธรณีวิทยา, การตรวจสอบโครงสร้างใต้ดินด้วยคลื่นไหวสะเทือน และ การทำแผนที่สนามแรงโน้มถ่วงด้วยเครื่องวัดสนามแรงโน้มถ่วง โดยในส่วนเครื่องวัดสนามแรงโน้มถ่วงนั้น เทคโนโลยีที่ใช้ยังคงเป็นระบบสปริงเพนดูลัม

เครื่องวัดสนามแรงโน้มถ่วงด้วยระบบสปริง คือเครื่องมือที่วัดค่าสนามแรงโน้มถ่วง หรือค่า g ณ ตำแหน่งที่สนใจ ซึ่งถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในทางฟิสิกส์ และธรณีวิทยา ที่ความแม่นยำขึ้นอยู่กับความเสถียรของพื้นผิว หากพื้นผิวมีการสั่นสะเทือนเพียงเล็กน้อยก็สามารถทำให้ค่าสนามแรงโน้มถ่วงที่วัดได้มีความคลาดเคลื่อน นอกจากนี้เครื่องวัดสนามแรงโน้มถ่วงด้วยระบบสปริงนี้ยังมีขนาดใหญ่และน้ำหนักมาก ซึ่งเป็นผลจากการออกแบบเพื่อชดเชยการสั่นสะเทือนจากสิ่งแวดล้อมภายนอก ด้วยข้อจำกัดนี้ ทำให้การเคลื่อนที่ของเครื่องวัดเป็นไปได้ยาก รวมถึงใช้เวลาและต้นทุนสูงในการเคลื่อนย้ายและทำแผนที่แรงโน้มถ่วง และข้อเสียสำคัญอีกอย่างหนึ่งของระบบสปริง คือ ค่าแรงโน้มถ่วงที่วัดได้จะขึ้นอยู่กับค่าความแข็งของสปริงซึ่งเป็นสมบัติเฉพาะที่แปรตามเวลา ทำให้เครื่องวัดสนามแรงโน้มถ่วงด้วยระบบสปริงต้องมีการปรับเทียบค่า (calibration) ทุกครั้งที่จะใช้งาน ซึ่งถือว่าไม่สะดวกอย่างยิ่ง จำเป็นต้องหาอุปกรณ์หรือหลักการใหม่ที่จะกำจัดข้อจำกัดทางเทคนิคเหล่านี้ออกไป เพื่อให้เครื่องมือทำงานได้อย่างรวดเร็ว แม่นยำ และ มีประสิทธิภาพ ซึ่งสิ่งนั้นคือ เทคโนโลยีอะตอมเย็น ด้วยสมบัติของอะตอมที่มีความเสถียรและคงที่อย่างมาก ตัวอย่างเช่น ค่าครึ่งชีวิตของอะตอมที่ถือเป็นค่าคงที่นับตั้งแต่ก่อเกิดจักรวาล ทำให้อะตอมเป็นสิ่งอ้างอิงชั้นเยี่ยมในเครื่องมือวัดต่าง ๆ ตัวอย่างเช่น อะตอมซีเซียมในนาฬิกาอะตอมที่มีความคลาดเคลื่อนขนาด 1 นาทีใน 1 ล้านปี โดยในเครื่องวัดสนามแรงโน้มถ่วงนี้ อะตอมรูบิเดียมสามารถมาทดแทน ระบบสปริง และช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ และความแม่นยำในการทำงานของเครื่องมือ

เครื่องวัดสนามแรงโน้มถ่วงด้วยอะตอมเย็นรูบิเดียม (Atoms gravimeter, AG) คือ เครื่องมือที่ใช้คุณสมบัติของอะตอมรูบิเดียม เพื่อวัดค่าสนามแรงโน้มถ่วงของโลก โดยค่าที่วัดได้จะมีความละเอียดและความแม่นยำในระดับหนึ่งในร้อยล้านส่วน ซึ่งถือว่าละเอียดมากกว่าเครื่องวัดสนามแรงโน้มถ่วงด้วยระบบสปริงอยู่หลายเท่าตัว และไม่ต้องการการปรับเทียบค่าใด ๆ  นอกจากนี้ยังมีความทนทานต่อการสั้นสะเทือนจากสิ่งแวดล้อมภายนอกอีกด้วย โดยเครื่องวัดสนามแรงโน้มถ่วงด้วยอะตอมเย็นรูบิเดียม มีหลักการทำงาน คือ อะตอมรูบิเดียมจะถูกทำความเย็นด้วยกับดักแม่เหล็กเชิงแสงแบบ 2 มิติ (2 Dimension Magneto-Optical Trap หรือ 2D MOT) เพื่อเตรียมอะตอมที่มีความเร็วต่ำในปริมาณที่สูง  จากนั้นอะตอมเหล่านั้นจะถูกส่งไปยังกับดักแม่เหล็กเชิงแสงแบบ 3 มิติ ซึ่งอะตอมจะถูกกักขังให้มีปริมาณมากพอสำหรับการใช้งานแล้วจึงทำความเย็นให้กับกลุ่มอะตอมเหล่านั้นจนมีอุณหภูมิต่ำกว่า 10 ไมโครเคลวิน (-273.14999 เซลเซียส) ด้วยเทคนิคการทำความเย็นแบบเกรเดียนท์ของโพลาไรเซชันแสงในปริภูมิของอะตอมเคลื่อนที่ (Polarization Gradient Cooling หรือ PGC)  ต่อมากลุ่มอะตอมจะถูกโยนขึ้นโดยการปรับความถี่แสงของกับดักทัศนศาสตร์แม่เหล็ก  อะตอมที่ถูกโยนขึ้นจะถูกคัดกรองความเร็วและระดับพลังงานด้วยชุดพัลส์ของแสงรามานและแสงถ่ายภาพ เพื่อให้ได้อะตอมที่มีการกระจายความเร็วที่น้อยลงและอะตอมอยู่ในสถานะ  ทุกอะตอม  เมื่ออะตอมเคลื่อนที่มาถึงบริเวณสำหรับทำการแทรกสอดของอะตอม  เทคนิคสองโฟตอนของพัลส์รามาน (Two-Photon Raman Pulse) จะถูกนำมาสร้างระบบการแทรกสอดของอะตอมแบบมาร์ชเซนเดอร์ (Mach-Zehnder Atom Interferometer) โดยเริ่มจากการใช้พัลส์ของแสงรามาน  ฉายไปยังกลุ่มอะตอมเพื่อแยกกลุ่มอะตอมกลุ่มนั้นออกเป็นสองกลุ่มด้วยอัตราส่วนหนึ่งต่อหนึ่ง  อะตอมสองกลุ่มนี้จะมีสถานะและโมเมนตัมที่แตกต่างกัน  ซึ่งในกลุ่มที่ถูกแสงรามานกระตุ้นจะมีสถานะเป็น  และมีโมเมนตัมเพิ่มขึ้น ทำให้อะตอมสองกลุ่มนี้มีเส้นทางการเคลื่อนที่ (path) ที่แตกต่างกัน  ซึ่งในจุดนี้เองที่เฟสของฟังก์ชันคลื่นของอะตอมทั้งสองกลุ่มจะถูกเลื่อนไปต่างกัน ต่อมาอะตอมจะถูกสลับสถานะและเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมด้วยแสงรามาน   เพื่อให้อะตอมตกลงมาพบกัน  และ ณ จุดที่อะตอมตกลงมาพบกัน อะตอมจะถูกกระตุ้นด้วยพัลส์ของแสงรามาน  เพื่อทำให้เกิดการแทรกสอดกันของอะตอม  หลังจากนั้น  ประชากรของกลุ่มอะตอมจะถูกนับในสถานะต่างๆ  ซึ่งค่าที่ได้จะสามารถนำไปคำนวณหาการเลื่อนของเฟสของฟังก์ชันคลื่นของอะตอม  และท้ายที่สุดเราจะสามารถหาค่าสนามแรงโน้มถ่วงของโลกได้ที่ความละเอียด  ซึ่งด้วยความละเอียดเท่านี้  มีความละเอียดพอที่จะสามารถรับรู้ถึงการเพิ่มขึ้นหรือลดลงของหินเกลือ (บริเวณกักเก็บปิโตรเลียม) 108 กิโลกรัมที่ระยะห่างออกไป 1,000 เมตร

โครงการพัฒนาเครื่องวัดสนามแรงโน้มถ่วงด้วยระบบอะตอมเย็นรูบิเดียม (Cold Rubidium Atoms Gravimeter) นี้ เริ่มต้นในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2559 ในห้องวิจัยอะตอมทัศนศาสตร์ควอนตัม (Quantum Atom Optics Laboratory, QAO) ตั้งอยู่ ณ อาคารปฏิบัติการกลาง คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ภายใต้การสนับสนุนของศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์ และ ปตท. (สผ) โดยงานวิจัยแบ่งออกเป็นสองเฟส อันได้แก่ 1) ต้นแบบเครื่องวัดสนามแรงโน้มถ่วงในห้องทดลองขนาดใหญ่ ซึ่งเป็นการสร้างเครื่องวัดต้นแบบเพื่อพิสูจน์หลักการทางทฤษฎี โดยในเฟสแรกนี้มีระยะเวลาดำเนินการให้แล้วเสร็จใน 3 ปี 2) ต้นแบบเครื่องวัดสนามแรงโน้มถ่วงแบบพกพา สำหรับใช้ในงานภาคสนามจริง โดยในเฟสที่สองนี้เป็นโครงการระยะเวลา 3 ปี คาดว่าจะสามารถเริ่มดำเนินการเฟสที่ 2 ในปลายปีพ.ศ. 2563

โดยในปัจจุบัน ในเฟสแรก ทีมวิจัยได้ประสบความสำเร็จในการเตรียมกลุ่มอะตอมเย็นของอะตอมรูบิเดียม ด้วยเทคนิคกับดักแม่เหล็กเชิงแสง ดังรูปที่ 1 โดยอะตอมจะถูกกักอยู่ในระบบสุญญากาศที่มีความดันต่ำกว่าความดันบรรยากาศใกล้พื้นผิวโลกนับล้านเท่า ด้วยแสงเลเซอร์ความยามคลื่น 780 นาโนเมตร ซึ่งอยู่ในย่านอินฟราเรด โดยระบบผลิตแสงเลเซอร์ที่พัฒนาขึ้นเอง (รูปที่ 2) โดยทีมนักวิจัยในโครงการ ร่วมกับ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ และสถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) อะตอมเย็นที่ถูกกักขังและชุดควบคุมเลเซอร์อินฟราเรดนี้ ถือเป็นอุปกรณ์หลักที่สำคัญในการทำงานของเครื่องวัดสนามแรงโน้มถ่วงด้วยระบบอะตอมเย็น หลังจากนี้จะเป็นขั้นตอนการยิงอะตอมขึ้นไปตามท่อความยาว 50 เซนติเมตร เพื่อเข้าสู่การใช้เทคนิคแสงรามาน ดังที่ได้อธิบายในหลักการทำงาน

รูปที่ 1 ภาพถ่ายจากกล้องซีซีดีของกลุ่มอะตอมรูบิเดียม-87 เย็น (จุดขาว) ถูกกักอยู่ในระบบสุญญากาศด้วยกับดักแม่เหล็กเชิงแสง โดยใช้แสงเลเซอร์ความยาวคลื่น 780 นาโนเมตร และเกรเดียนท์สนามแม่เหล็กขนาด 10 G/cm ซึ่งสร้างจากคู่ขดลวดแอนไท-เฮมโฮลท์

รูปที่ 2 ระบบกำเนิดแสงเลเซอร์ความยาวคลื่น 780 นาโนเมตรที่พัฒนาโดยทีมวิจัย

ทางทีมนักวิจัยมีความคาดหวังเป็นอย่างยิ่งว่า เครื่องวัดสนามแรงโน้มถ่วงด้วยระบบอะตอมเย็นรูบิเดียมนี้ จะประสบความสำเร็จและใช้งานได้จริงในภาคสนามภายในปีพ.ศ. 2566 อันจะเป็นการพัฒนาด้านเทคโนโลยีการสำรวจปิโตรเลียมที่สำคัญของประเทศไทย นอกจากนี้ เทคโนโลยีและองค์ความรู้ต่าง ๆ ที่ได้ค้นพบ และพัฒนาขึ้นระหว่างระยะเวลาการวิจัย จะสามารถนำไปประยุกต์ใช้และเป็นประโยชน์สำหรับงานวิจัยทางควอนตัมและด้านอื่นต่อไปในอนาคต และลดการพึ่งพาเทคโนโลยีจากต่างประเทศ

รายงานโดย

ผศ. ดร. วรานนท์ อนุกูล

ห้องวิจัยอะตอมทัศนศาสตร์ควอนตัม ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ จ. เชียงใหม่-50200

E-mail: waranont@qaocmu.org