ปรากฏการณ์ไบรีฟรินเจนซ์ (birefringence) ของคลื่นสปิน (Spin wave) ในวัสดุแม่เหล็ก


สปิน (spin) คือสมบัติทางควอนตัมอย่างหนึ่งของอนุภาคมูลฐาน โดยที่อนุภาคประเภทเดียวกันจะมีเลขสปินเดียวกัน สปินยังเป็นปริมาณที่เกี่ยวข้องกับโมเมนตัมเชิงมุมของอนุภาคนั้นๆ และสปินยังทำให้เกิดสนามแม่เหล็กไดโพลคล้ายกับแท่งแม่เหล็กขนาดจิ๋วที่มีขั้วเหนือและขั้วใต้ (รูปที่ 1) ปรากฏการณ์นี้ให้สนามแม่เหล็กที่คล้ายกับการเคลื่อนที่แบบวงกลมของอนุภาคที่มีประจุ ต่างกันเพียงแค่ว่าสนามแม่เหล็กจากสปินไม่ได้เกิดจากการโคจรหรือการหมุนเป็นวงกลม แต่เกิดมาจากสมบัติของสปินด้วยตัวมันเอง หากสปินของอนุภาคภายในวัสดุเรียงตัวไปในทิศทางเดียวกัน เกิดเป็นสนามแม่เหล็กลัพธ์แบบเดียวกับแท่งแม่เหล็กในชีวิตประจำวันเช่นที่เจอในเข็มทิศ

รูปที่ 1 สปินทำให้อนุภาคประจุมีสนามแม่เหล็กไดโพล คล้ายแท่งแม่เหล็กขนาดจิ๋วที่มีขั้วเหนือ (N) และใต้ (S) โดยจะใช้ลูกศรแทนไดโพลแม่เหล็กที่ชี้จากเหนือไปใต้

เมื่ออนุภาคตัวใดตัวหนึ่งในผลึกโดนรบกวน จะทำให้ทิศของสนามแม่เหล็กเปลี่ยนไปและทำให้เกิดแรงกับอนุภาครอบข้างที่มีสปิน ทำให้อนุภาครอบข้างเกิดสั่นออกจากจุดสมดุล นั่นคือทิศของไดโพลแม่เหล็กจะเปลี่ยนไป การรบกวนนี้จะส่งผลต่อสปินกับอนุภาคตัวถัดๆ ไป เกิดการสั่นและการเปลี่ยนทิศของไดโพลแม่เหล็กคล้ายกับคลื่นที่แผ่ออกไป เรียกว่า คลื่นสปิน (spin wave)

การสั่นที่มีการรบกวนสนามของแรงสามารถอธิบายด้วยกลศาสตร์ควอนตัมได้อีกมุมมองหนึ่งว่า เป็นการกระตุ้นให้เกิดก้อนพลังงานหรืออนุภาค เช่น เราอธิบายคลื่นแสงที่ตามมองเห็น (ซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบหนึ่ง) ว่าประกอบด้วยก้อนพลังงานที่เรียกว่าอนุภาคโฟตอน (photon) ในทำนองเดียวกันสำหรับคลื่นสปิน เราอธิบายได้อีกแบบว่าเป็นการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่เรียกว่าแมกนอน (magnon)

เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ในตัวกลาง จะมีโอกาสเกิดปรากฏการณ์ไบรีฟรินเจนซ์เชิงวงกลม (circular birefringence) เช่นในกรณีที่คลื่นแสงเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางบางชนิดที่มีอัตราเร็วเฟสของแต่ละโพลาไรเซชันไม่เท่ากัน นั่นคือแสงที่มีโพลาเซชันเชิงวงกลมแบบทวนเข็มนาฬิกาเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วที่ต่างจากแสงที่มีโพลาไรเซชันแบบตามเข็มนาฬิกา ทำให้โพลาเซชันรวมของแสงเกิดการหมุนในขณะที่แสงเคลื่อนที่ไปในตัวกลางนั้น ถ้าปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นภายใต้สนามแม่เหล็ก จะถูกเรียกว่าปรากฏการณ์ฟาราเดย์ (Faraday effect) ดังรูปที่ 2 โดยแกนโพราไรเซชันของแสงจะหมุนขณะที่แสงเคลื่อนที่ไปในตัวกลางตามค่าความเข้มของสนามแม่เหล็ก ปรากฏการณ์นี้ได้ถูกนำไปใช้ประโยชน์ในหลายด้าน เช่น optical isolator หรือ magneto-optical recording ซึ่งใช้ผลจากปรากฏการณ์เคอร์ (Kerr effect) ที่คล้ายกับปรากฏการณ์ฟาราเดย์แต่เกิดกับแสงสะท้อน

รูปที่ 2 แผนภาพแสดงการเกิดปรากฏการณ์ฟาราเดย์ของแสง ซึ่งไมเคิล ฟาราเดย์ ได้บันทึกการค้นพบไว้ตั้งแต่เมื่อปี พ.ศ. 2388 (ที่มา : https://nationalmaglab.org/education/magnet-academy/history-of-electricity-magnetism/pioneers/michael-faraday และ http://www.mn.uio.no/fysikk/english/research/groups/amks/superconductivity/mo/)

Satoru Hayami และคณะได้ทำนายเชิงทฤษฎีไว้เมื่อปี พ.ศ. 2559 ว่าวัสดุในกลุ่มแอนติเฟร์โรแมกเนตที่ไม่มีสมมาตรการผกผัน (noncentrosymmetric antiferromagnet) นั้น คลื่นสปินมีพลังงานต่ำที่สุด ณ ตำแหน่งที่ต่างจากตำแหน่งที่สปินเรียงตัวเป็นระเบียบ ทำให้อัตราเร็วเฟสของแต่ละโพลาไรเซชันไม่เท่ากัน (โดยไม่จำเป็นต้องมีสนามแม่เหล็กจากภายนอก) คลื่นสปินแบบนี้เกิดจากอนุภาค nonreciprocal magnons ที่สามารถทำให้เกิดปรากฏการณ์ที่คล้ายกับปรากฏการณ์ฟาราเดย์ (Faraday Effect)

รูปที่ 3 คลื่นสปินที่มุมของโพราไรเซชันเปลี่ยนตามตำแหน่ง ซึ่งคล้ายกับปรากฏการณ์ไบรีฟรินเจนซ์ที่เกิดในคลื่นแสง (ภาพจาก https://www.tohoku.ac.jp/en/press/magnon_circular_birefringence.html)

เมื่อไม่นานมานี้ ทีมนักวิจัยจากประเทศไทยได้ทำงานวิจัยชิ้นนี้ร่วมกับนักวิจัยจากสหรัฐอเมริกา และญี่ปุ่น โดยทำการศึกษาวิจัยโดยทำการวัดการกระเจิงของนิวตรอนในสารประกอบ α-Cu2V2O7 แสดงให้เห็นว่าคลื่นสปินที่มีโพลาเซชันแบบตามเข็มนาฬิกาและแบบทวนเข็มนาฬิกานั้นต่างกันเป็นครั้งแรกของโลก (รูปที่ 4) งานวิจัยนี้จะนำไปสู่การพัฒนาอุปกรณ์เชิงอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้คลื่นสปินที่เรียกว่า magnonics ตัวอย่างเช่น ทรานซิสเตอร์คลื่นสปินที่ควบคุมโดยสนามไฟฟ้า (spin wave field effect-transistor)

รูปที่ 4 ผลการวัดการกระเจิงของนิวตรอนที่แสดงคลื่นสปินที่มีโพราเซชันแบบทวนเข็มนาฬิกาและตามเข็มนาฬิกา ซึ่งแยกออกจากกัน (ภาพจาก เอกสารอ้างอิง [1])

งานวิจัยนี้ถือเป็นครั้งแรกที่ nonreciprocal magnons ถูกค้นพบในระบบจริงจากการทดลองในวัสดุแม่เหล็ก

  • [1] G. Gitgeatpong, Y. Zhao, P. Piyawongwatthana, Y. Qiu, L. W. Harriger, N. P. Butch, T. J. Sato, and K. Matan, Phy. Rev. Lett.119,047201 (2017)
  • [2] S. Hayami, H. Kusunose, and Y. Motome, J. Phys. Soc. Jpn. 85, 053705 (2016).
  • [3] R. Cheng, M. W. Daniels, J.-G. Zhu, and D. Xiao, Sci. Rep. 6, 24223 (2016).
  • [4] Spin Wave. สืบค้นาจาก https://en.wikipedia.org/wiki/Spin_wave. 13 กรกฎาคม 2560

เรียบเรียงโดย บรรณาธิการวิชาการ.คอม