สยบเสียงด้วยแสงเลเซอร์

เมื่อยิงแสงเลเซอร์ (แทนด้วยสีเขียว) เข้าไปในแท่งซิลิกอนที่มีคลื่นเสียงแผ่ขยายอยู่ 
แสงเลเซอร์ที่วิ่งออกมาจากแท่งซิลิกอน (แทนด้วยสีน้ำเงิน) จะสามารถดึงเอาพลังงานบางส่วนของคลื่นเสียงออกมาด้วยได้ ทำให้การสั่นของคลื่นเสียงเบาบางลง 
(ภาพจาก: https://physics.aps.org/synopsisfor/10.1103/PhysRevX.8.041034?fbclid=IwAR3mKGlOXvx5vX44YmKqskmYUP_63pQdEs8I3BkAWNQSyBgeGF6XzrsHaaI) 

ชีวิตประจำวันของเราคงจะสะดวกสบายและผ่อนคลายมากขึ้น หากว่าในวันหนึ่งเราสามารถควบคุมเสียงรบกวนภายในห้องหรือภายในรถยนต์ได้โดยการกดรีโมตเพื่อเปิดแสงเลเซอร์เหมือนอย่างที่เรากดรีโมตเพื่อเปิดทีวีหรือเครื่องปรับอากาศ นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยเยล (Yale University) ในสหรัฐอเมริกา ได้ทดลองสาธิตให้เห็นเป็นครั้งแรกว่าคลื่นเสียงที่แผ่ขยายอยู่ภายในแท่งซิลิกอนสามารถถูกหรี่ให้ค่อยลงได้โดยการยิงแสงเลเซอร์เข้าไปในแท่งซิลิกอนนี้ การสั่นของคลื่นเสียงที่เบาบางลงนี้ยังส่งผลให้อุณหภูมิของแท่งซิลิกอนลดลงกว่า 32 องศาเคลวิน   


เสียงเป็นคลื่นที่อาศัยการอัดและขยายของตัวกลางอย่างซ้ำๆ เพื่อส่งถ่ายพลังงานกลจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง ดังนั้นเสียงจึงสามารถเดินทางได้ทั้งภายในก๊าซ ของเหลว และของแข็ง เช่น เสียงที่เดินทางภายในอากาศอาศัยการอัดและขยายแบบซ้ำๆ ของโมเลกุลก๊าซที่ประกอบกันเป็นอากาศ ส่วนเสียงที่เดินทางภายในของแข็งอาศัยการอัดและขยายตัวแบบซ้ำๆ ของเหล่าอะตอมที่ทำพันธะระหว่างกันอยู่ภายในของแข็ง การสั่นของอะตอมภายในตัวกลางมีลักษณะที่แน่นอน เสียงเป็นผลรวมของรูปแบบการสั่นทั้งหมดเหล่านี้ นักฟิสิกส์เรียกแต่ละรูปแบบของการสั่นของอะตอมทุกตัวภายในตัวกลางนี้ว่า “โฟนอน” (phonon) โดยนักฟิสิกส์มองว่าโฟนอนเป็นอนุภาคเสมือน (quasiparticle) ของคลื่นเสียงซึ่งตั้งอยู่บนหลักการทวิภาคของความเป็นคลื่น-อนุภาค (particle-wave duality) เหมือนกับที่อนุภาคโฟตอน (photon) เป็นอนุภาคของคลื่นแสง คลื่นเสียงประกอบด้วยอนุภาคเสมือนโฟนอนหลายตัวรวมกัน “ดังนั้นจำนวนของโฟนอนจึงบ่งบอกถึงความแรงในการสั่นของเสียง” เราจึงสามารถเบาเสียงให้ค่อยลงได้โดยการลดจำนวนของโฟนอน หรือเร่งเสียงให้ดังขึ้นได้โดยการเพิ่มจำนวนโฟนอน

        
เมื่อแสงเลเซอร์วิ่งเข้าชนเสียง โฟตอนของแสงจะเข้าทำอันตรกิริยากับโฟนอนของเสียง นักฟิสิกส์เรียกอันตรกิริยาระหว่างโฟตอนของแสงและอนุภาคเสมือนว่าการกระเจิงบริลลูอิน (Brillouin scattering) ผลของการกระเจิงบริลลูอินจะทำให้โฟตอนที่กระเจิงออกมา (หรือหลุดออกมาหลังจากการเกิดอันตรกิริยากับโฟนอน) สูญเสียพลังงานหรือได้รับพลังงาน ถ้าโฟตอนของแสงถูกดูดกลืนโดยโฟนอนของเสียง (ซึ่งจะทำให้จำนวนโฟนอนของเสียงเพิ่มมากขึ้น แล้วโฟตอนที่กระเจิงออกมาจะมีพลังงานลดลง) แต่ถ้าโฟตอนของแสงดูดกลืนโฟนอนของเสียง (ซึ่งจะทำให้จำนวนโฟนอนลดน้อยลง) แล้วโฟตอนที่กระเจิงออกมาจะมีพลังงานเพิ่มมากขึ้น กระบวนการที่ทำให้โฟตอนที่กระเจิงออกมามีพลังงานน้อยลงเรียกว่ากระบวนการสโตค (Stoke) ส่วนกระบวนการที่ทำให้โฟตอนมีพลังงานเพิ่มมากขึ้นเรียกว่ากระบวนการแอนติ-สโตค (anti-Stoke) 


กระบวนการสโตคจะสามารถเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อโฟตอนของแสงทำอันตรกิริยากับโฟนอนของเสียงที่เคลื่อนที่ในทิศทางเดียวกันกับโฟตอนของแสง แต่กระบวนการแอนติ-สโตคจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อโฟตอนของแสงทำอันตรกิริยากับโฟนอนของเสียงที่เคลื่อนที่สวนทางกับโฟตอนของแสง 


กระบวนการสโตคจะทำให้เสียงดังมากขึ้นและดังนั้นตัวกลางร้อนขึ้นเพราะมันทำให้จำนวนโฟนอนของเสียงเพิ่มมากขึ้น ในขณะที่กระบวนการแอนติ-สโตคจะทำให้เสียงค่อยลงและดังนั้นตัวกลางเย็นลงเพราะมันทำให้จำนวนโฟนอนของเสียงลดน้อยลง 
ดังนั้นเพื่อที่จะสยบเสียงและทำให้เสียงเย็นลงเราจะต้องปล่อยให้โฟตอนของแสงทำอันตรกิริยากับโฟนอนของเสียงที่เคลื่อนที่สวนทางกับโฟตอนของแสง 

กระบวนการสโตค (Stoke) และกระบวนการแอนติ-สโตค (anti-Stoke) 
ของการกระเจิงบริลลูอิน (Brillouin scattering) ภาพจากเอกสารอ้างอิง ^[1]  

เพื่อที่จะทดลองให้เห็นว่าแสงเลเซอร์สามารถสยบเสียงได้จริงด้วยการกระเจิงบริลลูอิน นิลส์ ที ออสเตอร์สตรอมและคณะ (Nils T. Otterstrom et al.) จากมหาวิทยาลัยเยล (Yale University) ^[1] ได้ใช้ความร้อนเหนี่ยวนำให้เกิดเสียงที่ความถี่ 6 GHz ในแท่งซิลิกอนขนาดความยาว 3.4 cm ความยาวค่านี้ถูกออกแบบมาเพื่อให้เห็นการกระเจิงบริลลูอินชัดเจนที่สุด นักวิจัยเรียกแท่งซิลิกอนนี้ว่าท่อนำคลื่นหรือเวฟไกด์ (waveguide) เพราะมันสามารถนำคลื่นเสียงและคลื่นแสงได้ 


นักวิจัยยิงแสงเลเซอร์ความยาวคลื่น 1535.5 นาโนเมตร (หรือความถี่ 195,241 GHz) ซึ่งอยู่ในแถบ near-infrared เข้าไปที่ปลายด้านหนึ่งของท่อนำคลื่นซิลิกอน จากนั้นทำการวัดสเปคตรัมของโฟตอนที่กระเจิงออกมาที่อีกปลายด้านหนึ่งของท่อนำคลื่นซิลิกอนโดยใช้เทคนิค Heterodyne spectroscopy  
 

แผนภาพของการทดลอง Heterodyne spectroscopy เพื่อสังเกตกระบวนการสโตค (Stoke) 
และแอนติ-สโตค (anti-Stoke)  

นักวิจัยพบว่าพลังงานของโฟตอนที่กระเจิงออกมามีค่าเพิ่มขึ้นจริงเมื่อแสงเคลื่อนที่สวนทางกันกับการเคลื่อนที่ของโฟนอนตามกระบวนการแอนติ-สโตค การลดลงของจำนวนโฟนอนถูกเผยให้เห็นในผลการวัดสเปคตรัมการกระเจิงของโฟตอน โดยความกว้างสเปคตรัม (spectral width) ของกระบวนการแอนติ-สโตคมีค่าเพิ่มขึ้นจากความกว้างสเปคตรัมของโฟนอนก่อนที่จะทำอันตรกิริยากับแสง นักวิจัยรายงานว่าแสงเลเซอร์กำลัง 41 มิลลิวัตต์จะทำให้จำนวนโฟตอนในกระบวนการแอนติสโตคหายไป 11% ซึ่งส่งผลให้อุณหภูมิของตัวกลางลดลง 32 องศาเคลวินจากอุณหภูมิห้อง


ถึงแม้ว่างานวิจัยนี้จะยังไม่สามารถนำไปใช้ลดเสียงรบกวนในห้องหรือในรถยนต์โดยใช้แสงเลเซอร์ได้ในเร็ววันนี้ แต่มันก็สามารถนำไปใช้ลดการสั่นที่ไม่ต้องการภายในเครื่องมือวัดที่ต้องการวัดสัญญาณให้มีความละเอียดสูง นอกจากนี้มันยังช่วยทำความเย็นให้กับอุปกรณ์สถานะของแข็งอื่นๆ ที่ทำมาจากซิลิกอนโดยใช้แสงเลเซอร์ที่กินพลังงานไม่สูงมากนักได้อีกด้วย  


 

เรียบเรียงโดย

ดร. ปิยวัฒน์ ทัพสนิท
อาจารย์คณะวิทยาศาสตร์ พลังงานและสิ่งแวดล้อม มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ (วิทยาเขตระยอง)

• [1] Z. Chen et al., “Radiative cooling to deep sub-freezing temperatures through a 24-h day-night cycle,” Nat. Commun. 7, 13729 (2016).