| ที่มา | คอลัมน์ ฟิสิกส์ธรรมดาสาระมันส์ มติชนรายวัน |
|---|---|
| ผู้เขียน | อาจวรงค์ จันทมาศ www.faceboo.com/ardwarong |
| เผยแพร่ |
ปรากฏการณ์ Tunneling เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเป็นปกติสำหรับธรรมชาติของสิ่งเล็กๆ ในระดับอะตอม แต่ไม่ปรากฏให้เห็นเลยในชีวิตประจำวันรอบตัวเรา
หากเราพยายามเตะลูกบอลให้กลิ้งข้ามเนินเขา อย่างน้อยๆ เราต้องเตะให้ลูกบอลกลิ้งไปหยุดบนยอดเนินได้พอดี แต่ถ้าเราเตะเบากว่านั้นลูกบอลย่อมกลิ้งไปไม่ถึงยอด แล้วกลิ้งย้อนกลับลงมาทางเดิมอย่างแน่นอน
ทว่าในโลกเล็กๆ ระดับอะตอม แม้ว่าพลังงานจะไม่พอ มันกลับ “มีโอกาส” พุ่งทะลุเนินมาอีกฝั่งได้! ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า ปรากฏการณ์ Tunneling (เหมือนอนุภาคเหล่านี้เคลื่อนที่ลอดอุโมงค์ทะลุเนินเขามาได้อย่างน่าประหลาด)
คำอธิบายหนึ่งคือ อนุภาคในระดับอะตอมสามารถแสดงสมบัติเชิงคลื่นได้ เมื่อคำนวณด้วยทฤษฎีควอนตัมจะพบว่าคลื่นของอนุภาคเหล่านี้มีโอกาสทะลุเนินเขามาได้ (ส่วนโอกาสจะมีค่าเท่าไรก็แล้วแต่พลังงานของอนุภาคและลักษณะของเนินเขา) ซึ่งเนินเขาในทางฟิสิกส์นั้นหมายถึงกำแพงของพลังงานศักย์ที่ขวางกั้นอนุภาคไว้นั่นเอง
นักฟิสิกส์ค้นพบปรากฏการณ์ Tunneling ในหลายๆ ระบบ ตั้งแต่สารกัมมันตรังสี, สารกึ่งตัวนำ รวมทั้งระบบสารตัวนำยิ่งยวดซึ่งอย่างหลังสุดถูกค้นพบโดย Ivar Giaever นักฟิสิกส์ชาวนอร์วีเจียน-อเมริกัน
ตอนที่ Giaever ทำงานในบริษัทเจเนอรัลอิเล็กทริก (General Electric) เขาทำการทดลองจนค้นพบว่าอิเล็กตรอนในสารตัวนำยิ่งยวด (Superconductor) สามารถเกิดปรากฏการณ์ Tunneling ได้
สสารโดยทั่วไปล้วนแล้วแต่มีความต้านทานไฟฟ้า ส่งผลให้กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านสูญเสียพลังงานระหว่างเดินทางในสสาร แต่เมื่อสสารมีอุณหภูมิต่ำลงจนถึงค่าหนึ่ง ความต้านทานในสสารนั้นจะกลายเป็นศูนย์ ส่งผลให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้โดยไม่มีการสูญเลียพลังงานเลย สถานะดังกล่าวเรียกว่า ตัวนำยิ่งยวด (superconductor)
การทดลองของ Giaever แสดงให้เห็นว่าในตัวนำยิ่งยวดมีช่องระหว่างแถบพลังงาน (Energy gap) อยู่ ซึ่งการมีอยู่ของช่องระหว่างแถบพลังงานเป็นสิ่งที่ยืนยันความถูกต้องของทฤษฎีบีซีเอส ( BCS theory of superconductivity) ที่เกิดขึ้นในปี 1957 และใช้ในการอธิบายพฤติกรรมของสารในสถานะตัวนำยิ่งยวดได้เป็นอย่างดีจนถึงทุกวันนี้
ต่อมาไบรอัน โจเซฟสัน (Brian Josephson) นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีชาวเวลส์ทำนายปรากฏการณ์ที่เรียกว่า ปรากฏการณ์โจเซฟสัน (Josephson effect) ในปี 1962 ได้ในขณะที่เขามีอายุเพียง 22 ปี ปรากฏการณ์นี้คือการที่ Super current ซึ่งเป็นกระแสไฟฟ้าที่ไหลในสารตัวนำยิ่งยวดสามารถไหลทะลุกำแพงพลังงานศักย์บางๆ ได้โดยไม่เสียพลังงานเลย
Giaever และไบรอัน โจเซฟสัน ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1973 จากการทดลองและสร้างองค์ความรู้สำคัญเรื่องสสารในสถานะตัวนำยิ่งยวด
หลังจากนั้น Giaever ได้หันเหมาทำงานวิจัยด้านชีววิทยาเชิงฟิสิกส์ (biophysics) โดยพยายามใช้กระบวนการทางฟิสิกส์มาแก้ปัญหาต่างๆ ทางชีววิทยา เช่น ศึกษาพฤติกรรมของโปรตีนบนพื้นผิวของแข็ง, ศึกษาการเคลื่อนไหวของเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ทั้งเซลล์ที่เป็นปกติและเซลล์มะเร็ง เป็นต้น
