หน่วยวิจัยฟิสิกส์พื้นฐานและฟิสิกส์เชิงคณิตศาสตร์

หน่วยวิจัยฟิสิกส์พื้นฐานและฟิสิกส์เชิงคณิตศาสตร์

งานวิจัยในหน่วยนี้เราสนใจที่จะศึกษาระบบใดๆที่เรียกว่า อินทีเกรเบิล (integrable systems) ความสำคัญของระบบเหล่านี้อยู่ที่การมีอยู่ของคำตอบที่แน่นอนของชุดสมการอนุพันธ์ที่อธิบายระบบ สำหรับในฟิสิกส์นั้นระบบกลศาสตร์คลาสสิกถือว่าเป็นพื้นฐานในการทำความเข้าใจระบบที่มีความซับซ้อนขึ้นไป เช่น กลศาสตร์ควอนตัม เป็นที่รู้กันว่ามีสองแนวทางหลักในการแก้ปัญญาในกลศาสตร์คลาสสิก

(แทรกรูปภาพ : แทรกกี่รูปก็ได้ตามงานวิจัยของแต่ละท่าน) 

ได้แก่ ฮามิลโตเนี่ยน (Hamiltonian) และ ลากรางเจียน (Lagrangian) ซึ่งวิธีทั้งสองนั้นให้คำอธิบายระบบใดๆสมมูลกัน วิธีการทดสอบว่าระบบใดๆที่เราสนใจมีความเป็นอินทีเกรบีลิตี่ (integrability) หรือไม่นั้นเราสามาตรตรวจสอบได้โดยเงื่อนไขของ ลีโอยูวิล (Liouville’s integrability) ซึ่งมีหลักการประยุกต์ใช้ฮามิลโตเนี่ยน วิธีดังกล่าวเป็นที่ยอมรับและใช้กันอย่างแพร่หลายในวงการวิจัย แต่อย่างไรก็ตามอย่างที่ได้กล่าวไปก่อนหน้านี้ว่านอกจากฮามิลโตเนี่ยนแล้วนั้นยังมีลากรางเจียนอีกแนวทางหนึ่งในการแก้ปัญหา ดังนั้นคำถามก็คือวิธีการตรวจสอบความเป็นอินทีเกรบิลิตี่แบบลีโอยูวิลที่อาศัยหลักการของลากรางเจียนนั้นเป็นอย่างไร งานวิจัยในส่วนนี้ (ผศ.ดร.สิขรินทร์ อยู่คง link เพจส่วนตัว Personal Page) ค้นพบว่าโครงสร้างของลากรางเจียนที่เรียกว่า ลากรางเจียนมัลติฟอร์ม (Lagrangian multi-form) นั้นสมมูลกับวิธีของลีโอยูวิล การมีอยู่ของโครงสร้างของลากรางเจียนดังกล่าวชี้นำไปสู่การมีอยู่ของตัวแปรอิสระหลายตัว ซึ่งในที่นี้เป็นตัวแปรเวลา ซึ่งปรากฏเข้ามาในระบบอย่างอัตโนมัตินำไปสู่คำถามต่อไปที่ว่าจริงๆแล้วตัวแปรเวลาในธรรมชาตินั้นมีได้กี่ตัวกันแน่ ทำไมเราถึงรับรู้ถึงการมีอยู่ของตัวแปรเวลาได้เพียงตัวเดี่ยว นอกจากนี้แล้วการพัฒนาแนวคิดของระบบใดๆที่เราสนใจไปยังระบบควอมตัมนั้นก็เป็นที่น่าสนใจเป็นอย่างมากโดยเฉพาะการจะพัฒนาผ่านแนวทางของลากรางเจียนมัลติฟอร์มอยู่บนพื้นฐานของทฤษฏีฟาน์ยแมนพาทอินทีกรอล (Feynman path integrals) ซึ่งเป็นที่แน่นอนว่าการมีอยู่ของตัวแปรเวลาหลายตัวต้องได้รับการพิจารณาในกรณีนี้ เทคนิคในทางฟิสิกส์ทฤษฎีเหล่านี้สามารถนำไปศึกษาฟิสิกส์ระดับรากฐาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งการศึกษาทฤษฎีแรงโน้มถ่วงแบบต่าง ๆ ซึ่งถูกค้นพบว่ามีความสมมูลกับทฤษฎีสนามเกจในมิติที่ต่ำกว่า (ดร.เอกพงษ์ หิรัญสิริสวัสดิ์ link เพจส่วนตัว Personal Page) และการศึกษาเหล่านี้เป็นความหวังในการสร้างทฤษฎีความโน้มถ่วงแบบควอนตัม  

    นอกจากงานวิจัยข้างต้นแล้วในงานวิจัยทางด้านการเรียนการสอนฟิสิกส์พื้นฐาน (ดร.มนต์สิทธิ์ ธนสิทธิโกศล link เพจส่วนตัว Personal Page) ก็เป็นสิ่งที่กลุ่มวิจัยให้ความสำคัญเป็นอย่างมากเหมือนกัน โดยทางกลุ่มได้ศึกษา วิจัยและพัฒนาการเรียนการสอนในรูปแบบต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็นการเรียนการสอนแบบ inquiry-based การใช้ STEM ในการเรียนการสอน รวมถึงการใช้รูปแบบการเรียนการสอนในการ engage ผู้เรียน เป็นต้น

This research unit is about exploring the fundamental physics. In order to understand the nature of phenomena and substances from the atomic to cosmic scale, deep logical thoughts and mathematical models are needed. Then mathematical physics plays a major role in this part of research. Our staffs are specialized in quantum mechanics, quantum field theory and integrable systems.

หน่วยวิจัยฟิสิกส์ทฤษฎีสสารควบแน่นและวัสดุ

หน่วยวิจัยฟิสิกส์ทฤษฎีสสารควบแน่นและวัสดุ

งานวิจัยในหน่วยนี้เราศึกษาและพัฒนาวัสดุอุปกรณ์ยุคใหม่ กราฟีนเป็นวัสดุหนึ่งที่เป็นความหวังและถูกนำไปใช้สร้างอุปกรณ์ต้นแบบ ด้วยลักษณะและคุณสมบัติที่โดดเด่นของวัสดุนี้ที่มีขนาดความหนาเท่ากับ อะตอมเพียงหนึ่งชั้น โดยมีการจัดเรียงตัวกันของอะตอมคาร์บอนเป็นรูปหกเหลี่ยมหรือรูปรังผึ้ง อีกทั้งกราฟีนเป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติที่น่าสนใจเป็นอย่างมาก

(แทรกรูปภาพ : แทรกกี่รูปก็ได้ตามงานวิจัยของแต่ละท่าน)

graphene_black

 คือ การเคลื่อนที่ของอนุภาคบนวัสดุดังกล่าวด้วยความเร็วประมาณ 106 m/s สมบัติทางไฟฟ้าที่ง่ายต่อการการโด๊ปพาหะ นอกจากนี้ยังเป็นวัสดุที่มีความโปร่งใสและยืดหยุ่นสูง แต่ด้วยข้อจำกัดสำหรับโครงสร้างแถบพลังงานของกราฟีน ที่ไม่มีช่องว่างพลังงานจึงทำให้การควบคุมการไหลของอนุภาคบนรอยต่อของวัสดุนี้ทำได้ค่อนข้างยาก จึงได้มีการนำกราฟีนไปวางบนซับสเตทที่ทำให้สมมาตรของโครงสร้างกราฟีนเสียสภาพไป ตัวอย่างเช่น SiC หรือ h-BN เป็นต้น โดยผู้วิจัยสนใจรอยต่อโจเซฟสันบนวัสดุกราฟีนนี้ ซึ่งเป็นการนำตัวนำยวดยิ่งมาวางบนแผ่นกราฟีน 2 ด้าน นั่นคือ ประกบด้านซ้ายและด้านขวาของรอยต่อ สภาพนำยวดยิ่งจะเกิดบริเวณใกล้ชิดระหว่างตัวนำยวดยิ่งกับแผ่นกราฟีน เมื่อลดอุณหภูมิให้ต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤตจะส่งผลให้เกิดกระแสไหลได้เองโดยปราศจากการป้อนความต่างศักย์ ซึ่งจะเรียกกระแสนี้ว่า กระแสโจเซฟสัน ด้วยข้อจำกัดดังที่กล่าวมาจึงเกิดแนวคิดที่จะหาวิธีการใหม่ๆ มาใช้ในการปรับปรุงรอยต่อ โจเซฟสันบนวัสดุกราฟีนนี้และการประยุกต์ใช้คุณสมบัติของแกรฟีนกำลังเป็นที่สนใจในวงกว้างนับตั้งแต่มีการสังเคราะห์แกรฟีนขึ้นซึ่งนำไปสู่รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2010 เราได้ใช้ทั้งระเบียบวิธีเชิงวิเคราะห์และระเบียบวิธีเชิงตัวเลขในการศึกษาคุณสมบัติการนำไฟฟ้าในแกรฟีนเพื่อศึกษาความเป็นไปได้ในการสร้าง ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์และวงจรไฟฟ้าจากแกรฟีน ซึ่งมีความเป็นไปได้ในการแทนที่ silicon ในอนาคต (ดร.วัชระ เลี้ยวเรียน link เพจส่วนตัว Personal Page) นอกจากนี้ เรายังมีความสนใจในคุณสมบัติของวัสดุอสัณฐาน (amorphous materials) ซึ่งเป็นของแข็งที่ไม่มีโครงสร้างแบบผลึก (crystalline structure) เช่น แก้ว โพลิเมอร์ เป็นต้น สมบัติเชิงกายภาพของวัสดุกลุ่มนี้มีลักษณะก่ำกึ่งกันระหว่างของแข็งที่มีโครงสร้างแบบผลึกและของเหลว อีกทั้งสมบัติของวัสดุอสัณฐาน เช่น ความแข็งแกร่ง จุดหลอมเหลว ความจุความร้อน การนำไฟฟ้า เป็นต้น ยังขึ้นอยู่กับส่วนผสมของสารตั้งต้น กระบวนการผลิตและระยะเวลาที่ทำการสังเกต นอกจากนี้โครงสร้างของวัสดุยังคงมีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลาถึงแม้ว่าวัสดุดังกล่าวจะประพฤติตัวเหมือนกับของแข็งก็ตาม ความเข้าใจถึงฟิสิกส์ของวัสดุอสัณฐานจึงเป็นสิ่งที่ท้าทายต่อนักฟิสิกส์และนักวัสดุศาสตร์และมีประโยชน์อย่างยิ่งต่อวงการอุตสาหกรรมที่มีการใช้วัสดุนี้ด้วย โครงการวิจัยในส่วนนี้อาศัยการประยุกต์ใช้ทฤษฎี Random-First Order Transition (RFOT) ซึ่งเป็นการขยายทฤษฎีของของเหลวรวมกับทฤษฎีของของแข็งเพื่อใช้อธิบายและเข้าใจถึงพฤติกรรมและสมบัติของวัสดุอสัณฐานนี้ เป้าหมายสูงสุดของงานวิจัยนี้คือ การสร้างทฤษฎีเอกภาพ (unified theory) เพื่อใช้อธิบายและทำนายสมบัติทางกายภาพของวัสดุอสัณฐานทุกประเภทและครอบคลุมทุกช่วงเวลาของการสังเกต (ดร.อภิวัฒน์ วิศิษฏ์สรศักดิ์ link เพจส่วนตัว Personal Page)

This research unit is about condensed matter physics, in which we are interested in electrical properties such as conductivity or mobility of the charge carriers in materials. Graphene gains a lot of attention due its exotic mechanical and electrical properties and its potential to replace all silicon based devices in the near future. We use both analytical and computational approaches to investigate the fundamental properties of graphene conductivity and the possibility to design graphene-based logic gates, circuits and devices. Additionally, we are also interested in amorphous materials, in which the finding of unified theory to elucidate the mechanical properties and phase transition behaviors of these non-crystalline, disordered structures, has become a big challenge for ‘soft’ condensed matter physicists

หน่วยวิจัยชีวฟิสิกส์ทฤษฎีและระบบซับซ้อน

หน่วยวิจัยชีวฟิสิกส์ทฤษฎีและระบบซับซ้อน

งานวิจัยในหน่วยนี้เริ่มต้นจากการใช้เทคนิค ฟายน์แมนพาทอินทีกรอล (ผศ.ดร.สิขรินทร์ อยู่คง link เพจส่วนตัว Personal Page / ดร.วัชระ เลี้ยวเรียน link เพจส่วนตัว Personal Page) ในการคำนวณการถ่ายเทประจุตามแนวสายโซ่ DNA ที่หน่วยเบสมีการเรียงตัวกันแบบขั้นบันไดทำให้สามารถพิจารณาเป็นระบบที่มีโครงสร้างแบบเป็นคาบได้ นอกจากนั้น เรายังใช้วิธีการจำลองพลวัตเชิงโมเลกุล (molecular dynamics, ดร.ธนา สุทธิบัทม์พงศ์ link เพจส่วนตัว Personal Page) ในการคำนวณโครงสร้างสามมิติและคุณสมบัติเชิงกลของโมเลกุล

(แทรกรูปภาพ : แทรกกี่รูปก็ได้ตามงานวิจัยของแต่ละท่าน)

 ซึ่งอาศัยหลักการของกลศาสตร์แบบดั้งเดิมในการประมาณค่าความยืดหยุ่นของพันธะเคมีและใช้หลักการของกลศาสตร์เชิงสถิติในการควบคุมสภาวะ (อุณหภูมิ ความดัน และปริมาตร) ของระบบ จากนั้น เมื่อพิจารณาระบบที่ใหญ่ขึ้นในระดับกึ่งจุลภาค (mesoscale) สภาวะและศักย์ในการเกิดปฏิกิริยาเคมีสามารถทำนายได้โดยอาศัยหลักการของอุณหพลศาสตร์เชิงเส้น (non-equilibrium/linear thermodynamics, ดร.มนต์สิทธิ์ ธนสิทธิโกศล link เพจส่วนตัว Personal Page) การทำงานร่วมกันของแบบจำลองทั้งสามจะทำให้เกิดความเข้าใจที่สมบูรณ์แบบ ทั้งในด้านคุณสมบัติการนำไฟฟ้าของ DNA และการตอบสนองของโมเลกุลต่อสภาวะแวดล้อมที่เป็นสารละลาย นำไปสู่แนวคิดในการออกแบบ DNA based bioelectronics ได้ ซึ่งคุณสมบัติของ DNA ที่ลำดับเบสในสาย polynucleotide ที่จับตัวเฉพาะกับลำดับเบสที่เข้าคู่กันจะทำให้ DNA sensor มีความจำเพาะเจาะจงที่สูงมาก

หลักการทางอุณหพลศาสตร์และกลศาสตร์เชิงสถิติ ยังสามารถนำมาประยุกต์ใช้ในการศึกษาสภาวะของระบบที่มีความซับซ้อน (complex systems) ซึ่งเกิดจากอันตรกิริยาระหว่างหน่วยย่อยในระบบ โดยใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์และการจำลองทางคอมพิวเตอร์เพื่อศึกษาระบบที่มีตัวแปรสุ่ม (stochastic systemsดร.ธีรสิทธ์ เติมสายทอง link เพจส่วนตัว Personal Page) เช่น เครือข่ายระบบประสาท ความผันผวนทางด้านการเงิน อีกทั้งยังมีการใช้หลักการของโมเดลกองทราย (sandpile model, ดร.อนุวัฒน์ แซ่ตั้ง link เพจส่วนตัว Personal Page) ในการอธิบายสภาวะวิกฤตซึ่งเป็นขีดเริ่มของการเกิดแผ่นดินไหว ไฟป่า หรือการแพร่ระบาดของโรค ซึ่งได้มีการนำมาสร้างแบบจำลองเพื่อศึกษาการแพร่กระจายเชื้อในรังผึ้ง (ผศ.ดร.ธีรพันธ์ เหล่าเมตตาจิตต์ link เพจส่วนตัว Personal Page) ซึ่งจะมีประโยชน์ต่อการบริหารจัดการการเพาะเลี้ยงผึ้งได้

This research unit is about theoretical biophysics and complex systems, in which our research topics range from a novel application of path-integral technique on the bio-electronic devices to the molecular simulations of structures and dynamics of biomolecules, the principles of electro-chemical reactions described by non-equilibrium thermodynamics and the statistical mechanical models on the criticality of the complex system behaviors, such as the outbreak of diseases.