เทอร์โมมิเตอร์จิ๋ว เล็กสุดในโลก อ่านอุณหภูมิเคลวิน ต้องใช้ กล้องจุลทรรศน์ เล็กกว่า เส้นผมของคนประมาณ 10 เท่า

เทอร์โมมิเตอร์จิ๋ว เล็กสุดในโลก อ่านอุณหภูมิเคลวิน ต้องใช้ กล้องจุลทรรศน์ เล็กกว่า เส้นผมของคนประมาณ 10 เท่า

ในวารสาร Nature ฉบับวันที่ 7 กุมภาพันธ์ 2015 นักประดิษฐ์ Yihua Gao และ Yoshio Bando แห่ง National Institute for Materials Science ที่เมือง Ibaraki ในญี่ปุ่นได้รายงานความสำเร็จในการประดิษฐ์เทอร์โมมิเตอร์ขนาดจิ๋วที่สุดในโลก โดยใช้ท่อคาร์บอนนาโนที่มีความยาวน้อยกว่าความกว้างของเส้นผมของคนประมาณ 10 เท่า และภายในมีโลหะ gallium ที่สามารถขยายตัว และหดตัวได้ เวลาอุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ในช่วง 50 ถึง 500 องศาเซลเซียส และละเอียดถึงสเกลเคลวิน (ใช้สัญลักษณ์ K โดยไม่มีคำว่าองศา) การเป็นเทอร์โมมิเตอร์ที่เล็กสุดยอดนี้ เวลาใช้อ่านอุณหภูมิ ผู้อ่านต้องใช้ กล้องไมโครสโคป (Microscope) เป็นกล้องจุลทรรศน์แบบ Scanning Electron Microscope จึงจะอ่านสเกลเห็น

ย้อนอดีตไปถึงปี 1848 เมื่อนักฟิสิกส์ชื่อ William Lord Kelvin ได้ปรารภถึงเทคนิคการวัดอุณหภูมิว่า เทอร์โมมิเตอร์ต้องมีมาตรฐานอันเป็นที่ยอมรับในระดับสากล จึงได้เสนอให้อุณหภูมิ -273องศาเซลเซียส เป็นอุณหภูมิศูนย์องศาสัมบูรณ์ และให้ทุกองศา Kelvin ที่เพิ่มมีค่าเท่ากับ 1 องศาเซลเซียส สเกลการวัดอุณหภูมิในระบบนี้จึงเรียกสเกลเคลวิน ถึงปี 1968 ที่ประชุม General Conference on Weights and Measures จึงได้เปลี่ยนหน่วยอุณหภูมิเป็น Kelvin เฉยๆ โดยไม่มีคำว่าองศา (และใช้สัญลักษณ์ K)
     
ในปี 2005 คณะกรรมการมาตรการวัดนานาชาติ The Comit International des Poids et Measures (CIPM) ได้กำหนดค่า Kelvin ใหม่ ก่อนที่จะพัฒนาหน่วยอุณหภูมิเป็น Kelvin เพราะค่าที่กำหนดในปัจจุบันเวลานำไปใช้วัดอุณหภูมิที่ต่ำกว่า 20K และสูงกว่า 1300K ไม่ได้ผลดี CIPM จึงกำหนดให้ Kelvin เป็นสเกลอุณหภูมิของพลังงาน 1 จูลที่ได้จากการคำนวณโดยการใช้ค่าคงตัว Boltzmann = 1.3806505 x 10-23 จูล/K จะละเอียดกว่า จึงพัฒนาตัว เทอร์โมมิเตอร์ขนาดจิ๋วที่สุดในโลก ที่วัดค่าได้ละเอียดแต่ผู้อ่านต้องใช้ กล้องจุลทรรศน์ เป็น กล้องไมโครสโคป (Microscope) แบบ Scanning Electron Microscope จึงจะอ่านสเกลเห็น
     
ส่วนเวลาจะวัดอุณหภูมิระดับ 1 นาโนเคลวิน (10-9 องศา) นั้น นักฟิสิกส์ไม่ได้ใช้เทอร์โมมิเตอร์แบบที่ชาวบ้านทั่วไปใช้ แต่ใช้เทคนิคที่เรียกว่า laser cooling คือ การทำให้ระบบอะตอมเย็นลง โดยใช้เลเซอร์ยิงกลุ่มอะตอมให้รับอนุภาค photon ของเลเซอร์เข้าไป จากนั้นกลุ่มอะตอมก็จะคาย photon ออกมา ในทิศทางอื่นที่มิใช่ทิศที่มันรับเข้าไป เพราะ photon ของแสงที่กระเจิงไปนี้มีความยาวคลื่นสั้นกว่าคลื่นแสงที่มันรับเข้าไป มันจึงมีพลังงานมากกว่าพลังงานของ photon ที่มันรับ

และเมื่อพลังงานของระบบ (อะตอมกับแสง) จะต้องไม่เปลี่ยนแปลง ดังนั้นเมื่อ photon ที่หนีไปมีพลังงานมาก อะตอมที่เหลืออยู่จึงต้องมีพลังงานจลน์น้อยลง นั่นคือเคลื่อนที่ช้าลง และอุณหภูมิของอะตอมก็จะลดตาม เมื่อ photon เล็ดรอดหนีไปมากขึ้นๆ กลุ่มอะตอมก็จะเคลื่อนที่ช้าลงๆ อุณหภูมิของกลุ่มอะตอมก็จะลดลงๆ และความหนาแน่นของกลุ่มอะตอมก็จะมากขึ้นๆ และอะตอมจะชนกันมากขึ้น แต่ไม่เคลื่อนที่เร็วเกินไปจนทำให้นักฟิสิกส์สามารถใช้สนามแม่เหล็กที่มีความเข้มไม่สม่ำเสมอกักขังอะตอมไม่ให้หนีไปไหนมาไหนได้
     
ในการทดลองของ Wolfgang Ketterle แห่ง Massachusetts Institute of Technology (MIT) ซึ่งทำให้เขาได้รับ 1/3 ของรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 2001 Ketterle ได้ใช้อะตอมของ sodium ที่มีอิเล็กตรอนในวงนอกสุดเพียงตัวเดียว ดังนั้นอะตอมจึงมีโมเมนต์แม่เหล็ก (magnetic moment) ที่ทำหน้าที่เสมือนเป็นแท่งแม่เหล็กขนาดจิ๋ว ด้วยเหตุนี้เวลาใช้สนามแม่เหล็กกระทำต่อกลุ่มอะตอมนี้ สนามแม่เหล็กจะผลักกลุ่มอะตอมให้ลอยขึ้นสูง และกักขังให้เกาะกันเป็นกลุ่ม จากนั้น Ketterle ก็ปล่อยอะตอมที่มีพลังงานมากให้เล็ดรอดหนีออกไปจากกลุ่ม โดยใช้สนามแม่เหล็กอีกสนามหนึ่งที่มีความเข้มสูงเพื่อเปลี่ยนพลังงานของโมเมนต์แม่เหล็ก ให้อะตอมที่มีพลังงานมากเล็ดรอดหนีออกไปจากที่กักขัง
     
ในการวัดอุณหภูมิของกลุ่มอะตอมนี้ นักฟิสิกส์จะวัดขนาดของกลุ่ม เพราะถ้ากลุ่มมีขนาดใหญ่ นั่นแสดงว่า อะตอมมีพลังงานจลน์มาก จนสามารถต่อต้านแรงจากสนามแม่เหล็กได้ หรือใช้อีกวิธีหนึ่ง คือวิธีเปลี่ยนความเข้มสนามแม่เหล็ก เพราะสนามแม่เหล็กมีแรงกระทำต่ออะตอม มีผลทำให้อะตอมแยกจากกัน คือกลุ่มจะขยายตัว และขนาดของกลุ่มจะเพิ่ม วิธีนี้ก็สามารถบอกความเร็วของอะตอมได้ การรู้ความเร็วทำให้รู้อุณหภูมิของมัน หลังจากที่ให้กลุ่มอะตอมขยายตัวในช่วงเวลาหนึ่งแล้ว การวัดขนาดของกลุ่มที่เปลี่ยน ก็จะบอกได้ว่า อุณหภูมิที่ลดไปนั้นมีค่าเท่าไร

Cr.ผู้จัดการ