ต้นแบบของตู้ทำความเย็นขนาดจิ๋วที่ใช้แสงเลเซอร์เป็นต้นกำลัง สามารถลดอุณหภูมิลงไปได้เป็นประวัติการณ์ต่ำสุดถึง 208 เคลวิน การพัฒนาตู้ทำความเย็นขนาดกะทัดรัดแบบจิ๋วที่ใช้แสงเลเซอร์เป็นต้นกำลังที่ สามารถลดอุณหภูมิลงไปได้ถึงอุณหภูมิจุดเยือกแข็งสมบูรณ์ (Cryogenic Temperatures) ได้ก้าวกระโดดไปไกล

เป็นเพราะผลสำเร็จของงานวิจัยทางวิทยาศาสตร์จากห้องทดลอง Los Alamos National Laboratory ใน เมือง New Mexico สหรัฐอเมริกา ที่ได้พัฒนาวิธีการลดอุณหภูมิของแท่งแก้วพิเศษขนาดเล็กชนิดหนึ่งให้มี อุณหภูมิต่ำได้ถึง 208 เคลวิน หรือ -65 องศาเซลเซียส ด้วยการใช้แค่แสงเลเซอร์ปั๊มผ่านแก้ว

ซึ่งถือได้ว่าเป็นอุณหภูมิที่ทำลายสถิติและเป็นการเปิด บันทึกหน้าใหม่ของวงการทำความเย็น (ข้อมูลอ้างอิงจาก Applied Physics Letters 86 154107) โดยแก้วพิเศษที่ว่าเป็นแก้วที่แฝงเอาอะตอมของธาตุ “เยทเทอเบียม” (Ytterbium) เข้าไปฝังในเนื้อแก้ว (Ytterbium-doped fluoride glass) ทำให้แก้วมีคุณสมบัติในการเรืองแสงเป็นแสงฟลูออเรสเซนต์ (Fluorescent)

“เป้าหมายที่สำคัญของเราในการพัฒนาตู้ทำความเย็นที่จุดเยือก แข็งสมบูรณ์ (Cryogenic Refrigerators) โดยใช้แสงเลเซอร์เป็นต้นกำลัง ในขั้นแรกต้องการนำไปใช้งานกับการลดอุณหภูมิของอุปกรณ์บางส่วนที่ทำงานด้วย แสงอินฟราเรด (Infrared) ในจานดาวเทียม หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ประกอบด้วยวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้งาน ณ อุณหภูมิสูง เป็นต้น

โดยตู้ทำความเย็นที่ว่าต้องแข็งแรงและทนทาน อยู่ในรูปของแข็ง (Solid-state) มีขนาดกะทัดรัดและไม่สัมผัสกับการสั่นสะเทือน” กล่าวโดย Richard Epstein หัวหน้าทีมวิจัยในห้องทดลอง Los Alamos

หลักการทำความเย็นของตู้ทำความเย็นด้วยแสงเลเซอร์นั้นง่าย ดายอย่างเหลือเชื่อ เพียงแค่มีวัสดุที่เหมาะสมและปั๊มอัดแสงเลเซอร์ผ่านเข้าไปในวัสดุเพื่อให้ วัสดุดูดพลังงานจากแสงเข้าและคายพลังงานออกมาด้วยการเรืองแสงฟลูออเรสเซนต์

โดยหลักการดังกล่าวเป็นวิธีการในการลดอุณหภูมิของวัสดุซึ่ง อธิบายได้ด้วยพฤติกรรมทางฟิสิกส์ที่ว่าด้วยพลังงานของอนุภาคโฟตอน ถ้าอนุภาคโฟตอนในแสงฟลูออเรสเซนต์ มีพลังงานสูงกว่าพลังงานของอนุภาคโฟตอนของแสงที่อัดผ่านวัสดุเพียงเล็กน้อย แล้วล่ะก็ จะพบว่าเกิดผลต่างของพลังงานในขั้นตอนการดูดและคายทำให้เกิดการสูญเสีย พลังงานสุทธิภายใน

จากหลักของการอนุรักษ์พลังงานเพื่อให้พลังงานสุทธิยังมีค่า คงที่ จึงเกิดพฤติกรรมในการทดแทนพลังงานที่สูญเสียด้วยการดูดเอาพลังงานความร้อน ส่วนหนึ่งออกจากวัสดุ และนั่นคือวิธีที่จะทำให้วัสดุเย็นตัวลง ดังแสดงระดับผลต่างของพลังงานในรูปที่

รูปที่ 1 พฤติกรรมทางฟิสิกส์ที่อธิบายการลดอุณหภูมิลงของแก้ว ซึ่งอธิบายได้ด้วยแผนภูมิระดับพลังงานที่แสดงให้เห็นถึงหลักการลดอุณหภูมิ เนื่องจากเกิดการดูดซับความร้อนออกจากวัสดุ (ที่มา: LANL)

จากหลักการทำงานดังที่กล่าวมาจะเห็นได้ว่าการเลือกใช้วัสดุ ที่เหมาะสมเป็นส่วนประกอบที่สำคัญที่จะส่งผลต่อการเกิดความต่างของระดับ พลังงานเมื่อดูดซับแสง และ ณ ขณะนี้วัสดุที่ดีที่สุดที่สามารถเลือกมาใช้ได้คือแก้วฟลูออเรสเซนต์ที่มี ชื่อว่า “ZBLAN” ซึ่งเป็นแก้วที่ฝังไว้ด้วยอะตอมของธาตุหายาก (Doped with rare earth)

รูปที่ 2 ต้นแบบแสดงโครงสร้างภายในของตู้ทำความเย็นด้วยแสงเลเซอร์ (ที่มา: LANL)

ต้นแบบของตู้ทำความเย็นด้วยแสงเลเซอร์จากห้องทดลอง Los Alamos แสดงดังรูปที่ 2 ประกอบไปด้วยแก้ว Yb-doped ZBLAN ทรงกระบอกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 8 มิลลิเมตร และมีความยาว 8 มิลลิเมตร บรรจุอยู่ภายในกล่องสุญญากาศขนาดเท่ากับกล่องไม้ขีดไฟ

โดยปลายทั้งสองด้านของแท่งแก้วจะเคลือบไว้ด้วยวัสดุฉนวนเคลือบเงากระจก (Dielectric Mirror) แก้วแต่ละแท่งนั้นจะต้องมีรูขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 มิลลิเมตรไว้สำหรับปั๊มอัดแสงเลเซอร์ในการลดอุณหภูมิให้ไหลผ่าน

เมื่อทีมงานวิจัยได้ทดลองปั๊มอัดแสงเลเซอร์ผ่านแก้วจากหลอด เลเซอร์ไดโอดชนิด Yb: YAG (Yttrium: Yttrium Aluminum) ที่ความยาวคลื่น 1.02 ไมโครเมตร ด้วยกำลังสูงถึง 11 วัตต์ จะทำให้แก้วเริ่มเย็นตัวลง และหลังจากนั้น 2 ชั่วโมงแก้วจะลดอุณหภูมิลงไปถึง 208 เคลวิน ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ต่ำที่สุดเท่าที่ตู้ทำความเย็นเคยทำได้

ต่อจากนี้ไปหัวหน้าทีมงานวิจัย Epstein เชื่อมั่นว่าจะมีหนทางในการเพิ่มขีดความสามารถของการลดอุณหภูมิให้ได้ต่ำ กว่านี้อีก “ด้วยวัสดุหลัก คือ แก้วฝังด้วยอะตอมของธาตุเยทเทอเบียม (Ytterbium-doped materials) ที่เรากำลังใช้อยู่  ผมคาดว่าเราจะสามารถลดอุณหภูมิลงไปได้อีกกว่า 100 เคลวิน

โดยในทางทฤษฎีจะสามารถลดอุณหภูมิไปได้อีก 50 เคลวิน แต่ข้อจำกัดของการลดอุณหภูมิอยู่ที่ความบริสุทธิ์ของวัสดุหลักคือเนื้อแก้ว ที่ฝังด้วยอะตอมหายาก (Rare-earth doped materials)

เพราะสิ่งแปลกปลอมจะทำให้การเรืองแสงฟลูออเรสเซนออกมาได้ น้อยลง ทำให้ผลต่างของพลังงานสูญเสียน้อยลงและส่งผลให้การดึงพลังงานความร้อนใน เนื้อแก้วออกมาทดแทนน้อยลงเช่นกัน ดังนั้นขณะนี้เราจึงกำลังก่อตั้งโรงผลิตแก้วที่ให้ความบริสุทธิ์ในระดับสูง และนั่นจะทำให้ความสามารถในการลดอุณหภูมิดีขึ้นกว่านี้อีกมาก”