นี่คืออิตเทอร์เบียม “โลหะแปลก” เมื่อโดนรังสีแกมมา

เมื่อนักฟิสิกส์ควอนตัมพูดถึงบางสิ่งที่แปลก และจะมีมาตรฐานสูงสำหรับสิ่งที่แปลกประหลาด ธาตุบางประเภทยังได้รับหมวดหมู่ ซึ่งจัดเป็นโลหะแปลก (Strange Metal) เนื่องจากวิธีการนำไฟฟ้านั้นแตกต่างจากโลหะที่คุ้นเคยและยังไม่เป็นที่เข้าใจ ตัวอย่างล่าสุดของความแปลกประหลาดนี้ ซึ่งแปลกสำหรับนักฟิสิกส์มากกว่าธาตุอื่นๆ อย่างเห็นได้ชัดคือ มีจุดยอดสูงสุดการดูดกลืนรังสี 2 จุด (Double Peak) แทนที่จะเป็นจุดยอดเดียวแบบปกติ

รูปที่ 1. อิตเทอร์เบียม (อ้างอิง: Iflscience)

นี่คืออิตเทอร์เบียม (Ytterbium) ธาตุที่ผสมผสานความแปลกประหลาดในการนำไฟฟ้าเข้ากับชื่อที่ฟังดูไม่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุดในบรรดาองค์ประกอบที่มีอยู่ตามธรรมชาติ มันไม่ได้หายากเป็นพิเศษ โดยพบได้ทั่วไปในเปลือกโลกมากกว่าองค์ประกอบย่อยยูเรนิก (Sub-Uranic) ประมาณครึ่งหนึ่ง แต่ก็แทบจะไม่คุ้นเคยเลย ความร่วมมือระหว่างชาวญี่ปุ่นกับชาวอเมริกันได้สำรวจพฤติกรรมการนำไฟฟ้าที่แปลกประหลาดของอิตเทอร์เบียม และรายงานในเอกสารฉบับใหม่ว่าความแปลกประหลาดนี้

ความสนใจของดร.ยาชาร์ โคมิจานี (Dr.Yashar Komijani) แห่งมหาวิทยาลัยซินซินนาติก็คือ เมื่อมันมีกระแสไฟฟ้า อิตเทอร์เบียมจะไม่ทำตัวเหมือนตัวนำที่คุ้นเคย เช่น ทองแดงหรืออะลูมิเนียม โดยในโลหะนั้นจะมีอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เป็นพื้นหลังบนโครงสร้างผลึกของไอออน ดร.ยาชาร์กล่าว แต่สิ่งมหัศจรรย์เกิดขึ้นกับกลศาสตร์ควอนตัม คุณสามารถลืมเกี่ยวกับภาวะแทรกซ้อนของโครงสร้างผลึกของไอออน แต่กลับทำตัวราวกับอยู่ในสุญญากาศ ภายใต้สภาพอากาศหนาวเย็น อิตเทอร์เบียมจะนำไฟฟ้าได้มากกว่าที่ทฤษฎีอนุญาต สิ่งนี้สามารถพิสูจน์ได้ว่ามีประโยชน์ในการค้นหาวัสดุตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูง แต่ก็ยังนำเสนอความผิดปกติที่ดร.ยาชาร์และผู้เขียนร่วมหวังว่าจะอธิบายได้

รูปที่ 2. อิตเทอร์เบียม (อ้างอิง: Nuclear-power)

โดยได้ทดลองให้ ß-YbAlB4 ซึ่งเป็นโลหะผสมของอิตเทอร์เบียม อะลูมิเนียม และโบรอน สัมผัสกับรังสีแกมมาเพื่อดูว่าการตอบสนองแปรผันตามอุณหภูมิและความดันอย่างไร นี่เป็นเรื่องน่าตลกเพราะหนึ่งในการใช้งานหลักสำหรับอิตเทอร์เบียมคือในฐานะผู้ผลิตรังสีแกมมา โดยรังสีแกมมามักจะเกิดจากการสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสี แต่กระบวนการสลายตัวแต่ละครั้งจะสร้างโฟตอนของพลังงานเฉพาะ ในการผลิตรังสีแกมมาตามต้องการ ทีมงานเร่งโปรตอนในซินโครตรอนและใช้รังสีแกมมาที่ปล่อยออกมาเมื่อชนกับผนังเพื่อทำมอสส์เบาเออร์สเปกโทรสโกปี (Mössbauer spectroscopy) ซึ่งเป็นกระบวนการที่สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในสภาพแวดล้อมทางเคมีของนิวเคลียส

เมื่ออุณหภูมิถูกรักษาให้ต่ำมาก โลหะผสมเปลี่ยนจากโลหะแปลกเป็นของเหลวเฟอร์มิ (Fermi liquid) ซึ่งเป็นสถานะที่คุ้นเคยขององค์ประกอบส่วนใหญ่ ในขณะที่ความดันเพิ่มขึ้น ผู้เขียนได้เห็นความผันผวนของประจุทำให้เกิดจุดสูงสุดสองเท่าในสเปกตรัมการดูดกลืนแสง โดยเราได้ตีความสเปกตรัมนี้เป็นการเปลี่ยนผ่านของนิวเคลียร์เพียงครั้งเดียว ซึ่งถูกมอดูเลต (Modulated) โดยความผันผวนของเวเลนซ์อิเล็กทรอนิกส์ที่อยู่ใกล้เคียง จากการสังเกตขึ้นอยู่กับช่วงเวลาของความผันผวนของประจุซึ่งเกิดขึ้นในระยะเวลาหนึ่งพันล้านวินาที ตามมาตรฐานควอนตัม สิ่งนี้ช้าเป็นพิเศษ ซึ่งเป็นสิ่งที่ทีมระบุว่าเกิดจากการสั่นสะเทือนในโครงสร้างผลึก

รูปที่ 3. การตั้งค่าการทดลองสำหรับเครื่องสเปกโทรสโก (อ้างอิง: Science)

ในขณะที่ยอมรับว่าไม่แน่ใจ ผู้เขียนคิดว่าผลลัพธ์ของพวกเขาอาจจะแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงกลับไปกลับมาระหว่างสถานะไอออนิก Yb2+ และ Yb3+ ในฟิสิกส์คลาสสิก แต่มีความซับซ้อนมากกว่าในโลกควอนตัม ผู้เขียนคิดว่าจุดยอดสูงสุด 2 จุด อาจจะไม่ใช่ลักษณะเฉพาะของอิตเทอร์เบียม แต่อาจจะเป็นลักษณะเฉพาะของโลหะแปลกๆทั้งหมด ซึ่งสามารถใช้ทั้งระบุและอธิบายได้ อิตเทอร์เบียมมีชื่อแปลกๆจากอิตเทอร์บี (Ytterby) ซึ่งเป็นหมู่บ้านในสวีเดนซึ่งอยู่ใกล้กับหมู่บ้านที่พบตัวอย่างดังกล่าว มันถูกจัดว่าเป็นธาตุที่หายากของโลก แต่ที่ 0.3 ส่วนในล้านส่วนในเปลือกโลก มันพบได้บ่อยกว่าองค์ประกอบอื่นๆส่วนใหญ่ในประเภทนั้น รวมถึงธาตุอื่นๆในตารางธาตุ เช่น ทูเลียม (Thulium) และลูเทเชียม (Lutetium) การศึกษาได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์ (Science)

อ้างอิง: Iflscience, Science

3 Comments

  1. Hello, I think your website may be having browser compatibility issues.
    Whenever I take a look at your website in Safari, it
    looks fine but when opening in I.E., it’s got some overlapping issues.
    I just wanted to give you a quick heads up! Apart from that, great
    blog!

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *