Tuyển những bài báo hay Physics World 2008

Nội dung text: Tuyển những bài báo hay Physics World 2008

1. Physics World 2008 TUYỂN NHỮNG BÀI BÁO HAY hiepkhachquay Kiên Giang, tháng 12/ 2008
2. Tài liệu phát hành tại và
3. MỤC LỤC Trang Bí ẩn hoa tuyết 1 Cơng nghệ spin vẫy gọi 11 Kĩ thuật ảnh giao thoa ba chiều thơng minh 21 Cơng nghệ phonon đang nĩng dần 32 Đi tìm những người kĩ sư vũ trụ 39 Kiến trúc phịng thí nghiệm 47 GLAST chuẩn bị rời bệ phĩng 52 Soi rọi sự sống 58 Thời kì phục hưng lượng tử 73 Một tia sáng trong bĩng đêm ? 88 Nghìn con mắt săm soi vũ trụ 95 Nền văn hĩa lượng tử 104 Kết thúc cơn hạn lớn 112 Hai thập kỉ phát triển và trưởng thành 120 Bây giờ và 20 năm sau 126 Cỗ máy tính hadron lớn 136 Nhìn vào thế giới lượng tử 143
4. Bí Nn hoa tuyết Kenneth Libbrecht Sự đối xứng tuyệt vời của các bơng hoa tuyết làm n mất nền vật lí phức tạp chi phối cách thức các tinh thể băng lớn lên và phát triển dưới những điều kiện mơi trường khác nhau, như Kenneth Libbrecht giải thích sau đây. Thỉnh thoảng, những thứ đơn giản trong tự nhiên lại cĩ thể mang tính thách đố nhiều nhất. Đơn cử như những bơng hoa tuyết nhỏ bé, biểu tượng mùa đơng quen thuộc cĩ thể nhận ra ngay tức thời bởi cấu trúc tuyệt đẹp của nĩ và sự đối xứng đặc biệt. Người ta cĩ thể nghĩ rằng quá trình mà nhờ đĩ hơi nước đơng đặc thành tinh thể băng đã được hiểu biết cặn kẽ. Tuy nhiên, một sự xem xét gần hơn cho thấy ngay cả một số câu hỏi rất cơ bản về cách thức tinh thể băng tuyết hình thành vẫn chưa được trả lời. Bí Nn hoa tuyết Thật vậy, sự hiểu biết của chúng ta về sự tăng trưởng tinh thể nĩi chung là hết sức thơ sơ so với kiến thức của chúng ta về cấu trúc tinh thể. Sử dụng phép tán xạ tia X tại các nguồn sáng synchrotron tiên tiến, các nhà nghiên cứu cĩ thể xác định thường lệ sự sắp xếp chính xác của từng nguyên tử thành phần trong những tinh thể cấu tạo từ những phân tử sinh học cực kì phức tạp. Nhưng vì chúng ta khơng thể dự đốn chính xác những tinh thể này sẽ tăng trưởng như thế nào dưới những điều kiện khác nhau, nên việc tạo ra những vật mẫu lớn dùng cho phân tích vẫn là thứ gì đĩ thuộc về một đề tài khĩ nuốt. 1 Tuyển Physics World 2008 | © hiepkhachquay
5. Khĩ khăn chính là sự tăng trưởng tinh thể là một bài tốn phức tạp thuộc động lực học phân tử. Sự phát triển vĩ mơ và hình thái học của một tinh thể - tức là nĩ cĩ hình thành các mặt hay khơng, nĩ lớn lên bao nhanh dưới những điều kiện khác nhau, và nĩ phát triển thành một đơn tinh thể lớn hay là nhiều tinh thể nhỏ hơn – bị chi phối bởi cách thức chính xác mà các nguyên tử thành phần chen đNy vào nhau khi chúng đơng đặc lại. Trong khi bài tốn tĩnh của cấu trúc tinh thể tương đối dễ, thì bài tốn động lực học của sự tăng trưởng tinh thể thì thật khĩ nên cho đến nay chúng ta khơng thể dự đốn hành vi tăng trưởng của cả những tinh thể tương đối đơn giản – trong đĩ cĩ băng tuyết. Sự đa dạng tinh thể. Các tinh thể tuyết tự nhiên cĩ vẻ đa dạng về hình thái học hay hình dạng của chúng. Các hoa tuyết hình sao (hàng trên, từ trái sang phải) gồm những tinh thể bản hình sáu cạnh đơn giản cĩ vết bề mặt; các tinh thể “bản hình quạt”, trong đĩ các nhánh dạng tấm được trang hồng với những chĩp đặc biệt; các tinh thể hình cây sao với sự phân nhánh mặt vừa phải; và tinh thể dạng cây sao “kiểu dương xỉ” với hàng loạt nhánh ở bên. Các hoa tuyết hình cột (hàng dưới, từ trái sang phải) bao gồm những tinh thể hình trụ rỗng đơn giản; các cụm kim; và các tinh thể “cột đội mũ” trong đĩ các bản sao mỏng (nhìn ngang trong hình cuối bên phải) lớn lên ở hai đầu của các cột cứng cáp hay các cụm hình kim. Để làm sáng tỏ phạm vi thiếu hiểu biết của chúng ta, bạn cần khơng gì hơn một kính phĩng đại và một cơn mưa tuyết nhẹ. Sự đa dạng của các tinh thể tuyết mà bạn sẽ thấy thật là khác thường (xem ảnh Sự đa dạng tinh thể). Chẳng hạn, cĩ thể ban đầu bạn gặp các hình thái phức tạp, phân nhánh của các tinh thể tuyết hình sao, về cơ bản chúng là những bản mỏng tinh vi mỏng hơn khoảng 50 lần so với chiều rộng của chúng. Trong một cơn mưa tuyết khác, bạn cĩ thể tìm thấy chủ yếu là các cột hình sáu cạnh mảnh mai và hình kim cĩ lẽ dài gấp 20 lần chiều dày của chúng. Làm thế nào những dạng thái khác nhau như thế cĩ thể phát sinh từ cùng một chất ? Những cột, kim, hay bản hình sao rơi từ những đám mây xuống ban đầu dưới dạng một lăng trụ lục giác đơn giản – dạng cơ bản nhất của tinh thể tuyết – được xác định bởi hai mặt “cơ sở” và sáu mặt “lăng trụ”. Hình dạng sáu cạnh này, mang lại cho tinh thể tuyết sự đối xứng sáu 2 | © hiepkhachquay
6. lần, cĩ nguồn gốc từ cấu trúc phân tử cơ bản của mạng tinh thể băng tuyết. Nhưng hình dạng tổng thể của một tinh thể băng tuyết phụ thuộc vào tốc độ trưởng thành tương đối của các mặt cạnh: một tinh thể dạng cột trụ hình thành khi hơi nước đơng đặc trên các mặt cơ sở; cịn tinh thể dạng bản hình thành khi hơi nước đơng đặc dễ dàng hơn trên các mặt lăng trụ. Thực tế các bơng hoa tuyết dạng cột trụ và kiểu bản đều tồn tại cĩ nghĩa là tỉ số của tốc độ trưởng thành cơ sở và lăng trụ phải biến đổi 100 lần dưới những điều kiện khác nhau. Thách thức là giải thích như thế nào sự đơng đặc của hơi nước thành băng tuyết rắn cĩ thể mang lại sự đa dạng khác thường của các dạng tinh thể như thế. Bằng cách khảo sát sự trưởng thành của các tinh thể tuyết, chúng ta hi vọng hiểu được làm thế nào các tương tác ở cấp độ phân tử xác định những cấu trúc ở quy mơ lớn hơn nhiều. Khi làm như vậy, chúng ta cũng đồng thời thu được cái nhìn thấu đáo vào những câu hỏi tổng quát hơn về sự hình thành mẫu và sự tự lắp ghép trong tự nhiên. Hình thái h ọc tinh th ể Một trong những người đầu tiên bàn tới nền khoa học của bơng hoa tuyết là nhà vật lí Ukichiro Nakaya tại trường đại học Hokkaido ở Nhật Bản hồi thập niên 1930. Nakaya đã nuơi các bơng hoa tuyết của riêng ơng trong phịng thí nghiệm, cho phép ơng nghiên cứu sự trưởng thành của chúng dưới những điều kiện đã biết. Các quan sát cĩ hệ thống của ơng thường được tĩm tắt trong một biểu đồ hình thái học tinh thể băng tuyết, biểu đồ biểu diễn hình dạng của tinh thể theo hàm của nhiệt độ và độ Nm (xem Biểu đồ hình thái học). Hai đặc điểm đặc biệt trong biểu đồ này nổi bật lên ngay. Thứ nhất, các tinh thể trở nên phức tạp hơn khi độ Nm tăng lên; các lăng trụ đơn giản phát sinh khi độ Nm thấp; cịn các dạng phân nhánh, phức tạp hình thành khi độ Nm cao. Thứ hai, hình thái học tổng thể hành xử khác thường theo hàm của nhiệt độ, nhờ đĩ nĩ thay đổi từ kiểu bản sang kiểu cột trụ và đổi ngược trở lại khi nhiệt độ hạ thấp. Hành vi sau đỏ tỏ ra cĩ phần khĩ giải thích, ngay cả ở mức định tính. Thật vậy, sau 75 năm, chúng ta vẫn khơng thể giải thích được tại sao các tinh thể tuyết lớn lên quá khác biệt khi nhiệt độ thay đổi chỉ vài ba độ. Thật ra, biểu đồ hình thái học tinh thể tuyết chỉ là một lát hai chiều đơn giản nhìn qua “khơng gian hình thái” cao chiều hơn nhiều. Chẳng hạn, người ta cũng cĩ thể thêm vào một trục thời gian, trục cho thấy tinh thể trở nên lớn hơn và phức tạp hơn theo thời gian, hay một trục biểu diễn áp suất chất khí. Vào năm 1975, Takehiko Gonda tại Đại học Khoa học Tokyo nhận thấy rằng các tinh thể băng tuyết lớn lên trong một chất khí chậm áp suất thấp mang lại các lăng trụ đơn giản, cịn áp suất cao hơn mang lại những tinh thể phức tạp hơn. Một mơ hình tồn diện của sự tăng trưởng tinh thể băng tuyết cĩ thể giải thích mọi chiều của khơng gian hình thái học, nhưng nhiều phần cần thiết của một mơ hình như thế vẫn cịn thiếu. Kết quả là nghiên cứu của chúng ta về cơ sở vật lí của hình thái học tinh thể băng tuyết vẫn là một cơng việc đang triển khai. Biểu đồ hình thái học cho thấy rõ ràng rằng sự trưởng thành tinh thể băng tuyết phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và độ Nm, và điều này giải thích tại sao các tinh thể tuyết dạng sao phát triển 3 Tuyển Physics World 2008 | © hiepkhachquay
7. những cấu trúc vừa phức tạp vừa đối xứng. Khi một tinh thể đang lớn rơi qua các đám mây, nĩ gặp phải nhiệt độ, độ Nm và những điều kiện khác ảnh hưởng đến sự trưởng thành của nĩ. Đường đi nhất định của một tinh thể qua bầu khí quyển thay đổi thất thường xác định dạng cuối cùng của nĩ, nên khơng cĩ hai tinh thể nào trơng giống hệt như nhau. Tuy nhiên, sáu cánh tay của một tinh thể đơn giản đều đi giống nhau, nên chúng đều lớn lên đồng thời. Vì sự tăng trưởng rất nhạy với nhiệt độ và độ Nm nên mỗi tinh thể đang rơi phát triển một cấu trúc độc nhất vơ nhị và phức tạp với sự đối xứng cĩ thể nhận ra được. Biểu đồ hình thái học. Các bơng hoa tuyết cĩ thể được mơ tả đặc trưng bằng biểu đồ hình thái học tinh thể tuyết, biểu đồ biểu diễn hình dạng tinh thể theo một hàm của nhiệt độ (trục x) và độ Nm (trục y) trong đĩ chúng trưởng thành. Ở đây, trục độ Nm thật ra là độ quá bão hịa – mật độ hơi nước vượt quá độ Nm 100%. Đường bão hịa hơi nước (màu xanh) biểu diễn độ quá bão hịa tìm thấy ở một đám mây giọt nước nhỏ rất nặng. Sự phụ thuộc kịch tính của hình thái học tinh thể tuyết vào nhiệt độ cho đến nay vẫn chưa được giải thích. Sự phát tri ển khuếch tán h ạn ch ế Sự phức tạp nhìn thấy ở tinh thể băng tuyết rốt cuộc phát sinh do cách các phân tử nước chuyển hĩa thành nĩ. Khi một tinh thể trưởng thành, khơng khí xung quanh bị rút hết hơi nước, khi đĩ nĩ phải khuếch tán từ ngồi xa vào. Các phân tử nước dễ khuếch tán tới chỗ nhơ ra trên tinh thể hơn, về cơ bản là do nĩ nhúng vào trong khơng khí Nm xung quanh. Hiện tượng này làm cho chỗ nhơ ra lớn nhanh hơn những chỗ khác của tinh thể, thành ra nĩ làm tăng kích thước tương đối của chỗ nhơ. Sự phản hồi dương tính này mang lại tính bất ổn tăng trưởng tạo ra những cấu 4 | © hiepkhachquay
8. trúc phức tạp tự phát. Đặc biệt, tính khơng ổn định là nguyên nhân gây ra sự phân nhánh hình cây và phân nhánh mặt nhìn thấy ở các tinh thể băng tuyết hình sao. Năm 1947, nhà tốn học người Nga G P Ivantsov đã phát hiện một nhĩm lời giải ổn định về mặt động lực học cho phương trình khuếch tán (một phương trình vi phân mơ tả sự biến đổi mật độ của một chất khi chịu sự khuếch tán) làm sáng tỏ đáng kể sự tăng trưởng của các cấu trúc hình cây. Các lời giải ứng với các paraboloid hình kim trong khơng gian ba chiều hay những đường parabol đơn giản trong khơng gian hai chiều. Khi sự khuếch tán vận tải các hạt đặc lại trên bề mặt chất rắn, các hình kim lớn lâu hơn trong khi vẫn giữ được chính xác hình dạng parabol của chúng. Nĩi cách khác, bán kính cong của đầu kim lẫn vận tốc lớn lên của nĩ vẫn khơng đổi theo thời gian. Với tinh thể băng tuyết, đầu nhánh của một dạng cây sao đang lớn là một gần đúng thơ của lời giải Ivantsov 2D, vì tinh thể gần như phẳng và đầu nhọn cĩ hình parabol thơ. Hình dạng phân nhánh của kiều hình cây phức tạp hơn so với một parabol đơn giản, nhưng sự phức tạp tăng thêm là một sự nhiễu tương đối nhỏ lên hành vi ở gần đầu nhọn. Các phép đo cho thấy bán kính đầu nhọn và tốc độ tăng trưởng về cơ bản khơng thay đổi theo thời gian, giống hệt như lời giải Ivantsov đã tiên đốn. Thật thú vị, băng tuyết hình thành gần như cĩ cấu trúc dạng cây giống nhau cho dù nĩ lớn lên từ hơi nước trong khơng khí hay từ nước thể lỏng đơng đặc. Trong trường hợp sau, sự tăng trưởng chủ yếu bị hạn chế bởi sự khuếch tán của lượng nhiệt tiềm tàng phát sinh ở ranh giới lỏng- rắn. Mặt khác, trong một tinh thể băng tuyết, sự tăng trưởng chủ yếu bị hạn chế bởi sự khuếch tán của các phân tử hơi nước trong khơng khí xung quanh. Cấu trúc dạng cây thu được là giống nhau trong cả hai trường hợp vì cả hai đều được mơ tả bằng phương trình khuếch tán. Các tinh thể hình kim Ivantsov là một họ lời giải vì bất kì bán kính nhọn nào đều được phép về mặt tốn học, và đối với từng tinh thể hình kim, vận tốc tăng trưởng tỉ lệ nghịch với bán kính. Do đĩ, đối với một hệ cho trước, chúng ta cần thêm cơ sở vật lí khác nữa ngồi phương trình khuếch tán mới cĩ thể chọn một lời giải đơn giản, tự nhiên từ nhĩm lời giải Ivantsov. Đây hĩa ra là một vấn đề cĩ phần ngạc nhiên phụ thuộc vào các chi tiết động lực học phân tử trong quá trình đơng đặc. Hiệu ứng vĩ mơ cĩ thể đo được dễ dàng này – vận tốc đầu nhọn của một dạng cây đang lớn lên – cịn phụ thuộc vào cơ sở vật lí phức tạp ở mức độ phân tử. Các tinh thể băng tuyết lớn lên trong điện trường cao cịn cho thêm một sự sai lệch lí thú khỏi với nhĩm lời giải Ivantsov cho sự trưởng thành khuếch tán hạn chế. Khi tạo ra một tinh thể băng tuyết hình cây cơ lập ở cuối dây, người ta cĩ thể dễ dàng làm cảm ứng hành vi tăng trưởng kì lạ bằng cách đặt vào một hiệu điện thế cao. Vì cĩ một dịng điện khơng đáng kể trong khơng khí xung quanh, nên bề mặt băng tuyết nhanh chĩng trở nên tích điện. Kết quả là các gradient trường cao ở gần đầu nhọn cây nhiễm điện làm tăng sự khuếch tán của các phân tử nước cĩ cực, do đĩ hút các phân tử vào và làm tăng tốc độ lớn lên. (Sự tăng trưởng cũng bị ảnh hưởng theo những cách quan trọng bởi những thay đổi cảm ứng điện trong áp suất hơi cân bằng). 5 Tuyển Physics World 2008 | © hiepkhachquay
9. Việc đưa những hiệu ứng này vào trong lí thuyết hình cây bình thường mang lại một loại bất ổn định tăng trưởng mới, nhờ đĩ bán kính đầu nhọn trở nên nhỏ hơn đáng kể và tinh thể hình kim lớn lên nhanh hơn rõ rệt trên hiệu điện thế ngưỡng. Về mặt thực nghiệm, hiện tượng này cĩ thể mang lại các tinh thể “hình kim điện” với bán kính đầu nhọn nhỏ cỡ 100 nm và tốc độ tăng trưởng nhanh gấp 10 lần so với hình cây thơng thường. Các tinh thể băng hình kim lớn lên bằng điện này mang lại cột trụ cĩ ích cho việc nuơi các tinh thể băng tuyết cơ lập trong phịng thí nghiệm, nhờ đĩ cho phép chúng ta tiến hành những phép đo điều khiển được về động lực học tăng trưởng tinh thể băng. Một khi tinh thể hình kim đã lớn lên và hiệu điện thế đặt vào được ngắt khỏi, thì sự tăng trưởng bình thường bắt đầu và một tinh thể kiểu bản đơn giản hay kiểu cột trụ hình thành ở cuối đầu kim (xem hình Băng điện). Như thế, tinh thể băng hình kim mỏng chống đỡ tinh thể đang lớn đồng thời làm xáo trộn sự phát triển của nĩ. Hoa tuy ết kĩ thu ật số Mặc dù nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trong việc phát triển một lí thuyết phân tích sự tăng trưởng hình cây dựa trên các lời giải Ivantsov, việc lập mơ hình số là cần thiết để tái tạo những cấu trúc phức tạp xuất hiện trong sự tăng trưởng khuếch tán hạn chế. Phương pháp này đặc biệt cĩ ích khi cả sự phân mặt và phân nhánh đều cĩ mặt, vì sự dị hướng tương ứng trong động lực học tăng trưởng khơng dễ gì được bao hàm trong một lí thuyết phân tích. Băng điện. Các nhà nghiên cứu cĩ thể tạo ra những tinh thể “hình kim điện” bằng cách thiết đặt một hiệu điện thế cao vào các tinh thể băng đang lớn trên đầu của một sợi dây. Ở đây, hai tinh thể hình kim dài khoảng 2mm được biểu diễn trong pha tăng trưởng biến đổi điện của chúng (hình ngồi cùng bên trái). Khi điện trường bị ngắt và nhiệt độ giảm xuống – 15 oC, các bản hình sao nhỏ bắt đầu lớn lên ở đầu của cả hai kim (hình bên trái). Sử dụng kĩ thuật này, các nhà nghiên cứu cĩ thể nuơi các tinh thể băng tuyết hình sao tinh vi trong phịng thí nghiệm trên đầu của tinh thể hình kim điện (hình bên phải). 6 | © hiepkhachquay
10. Vấn đề này đã nhận được sự chú ý lớn từ phía các nhà luyện kim, vì việc đơng đặc một kim loại từ chất nĩng chảy của nĩ thường tạo ra những cấu trúc hình cây kích thước micro hoặc thậm chí nano cĩ thể ảnh hưởng sâu sắc đến sức bền, tính dẻo và những tính chất khác của kim loại cuối cùng. Để lập mơ hình số quá trình đơng đặc, trước hết chúng ta phải giải được phương trình khuếch tán của bề mặt đang tăng trưởng, rồi sử dụng lời giải đĩ để xét sự tăng trưởng, trước khi giải phương trình khuếch tán lần nữa với ranh giới rắn chắc mới, và cứ thế. Vì sai số trong mỗi bước truyền đến mọi bước sau đĩ, nên thách thức là việc phát triển kĩ thuật tính tốn cĩ sức mạnh bao hàm đủ các cơ sở vật lí cĩ liên quan để mơ phỏng các tình huống thực tế. Một vài phương pháp số thơng dụng đã được tranh xét trong những năm qua. Trong số này cĩ kĩ thuật “hiệu chỉnh trước”, chỉ ra ranh giới rõ ràng rắn-lỏng hay rắn-hơi; kĩ thuật “pha- trường”, làm phẳng kĩ thuật số ranh giới; và phương pháp tế bào-tự động thay thế các lời giải phương trình vi phân số (cĩ sẵn qua phần mềm thương mại) bằng một mạng lưới điểm tương tác lẫn nhau theo những quy luật đã biết rõ. Các kĩ thuật đĩ cĩ cơng trạng khác nhau, nhưng tất cả đều mang lại kết quả cĩ thể chấp nhận được cho sự tăng trưởng hình cây đơn giản. Tuy nhiên, trong trường hợp những cấu trúc giống như tinh thể băng tuyết, các bài tốn số trở nên khĩ hơn rất nhiều, vì động lực học bề mặt cĩ tính dị hướng cao. Năm 2006, các nhà tốn học David Griffeath tại Đại học Wisconsin và Janko Gravner thuộc Đại học California ở Davis, cả hai đều ở Mĩ, chỉ ra rằng tế bào tự động đặc biệt mạnh mẽ trong việc giải bài tốn sự tăng trưởng tinh thể băng tuyết. Sự dị hướng nội tại của mạng lưới tế bào-tự động, trên đĩ từng tế bào là cố định, dường như làm ổn định sự truyền các sai số dạng số, mặc dù chính xác thì điều này hoạt động như thế nào vẫn chưa được biết rõ. Sử dụng phương pháp này, Griffeath và Gravner cĩ thể tạo ra các tinh thể băng tuyết giả cách đầu tiên biểu hiện dạng thức phức tạp với sự phân nhánh và phân mặt thực sự (xem hình Mơ hình tinh thể). Cơ sở vật lí bề mặt trong những mơ hình này vẫn là thứ khơng theo thể thức, nhưng nghiên cứu mới đây này cĩ vẻ mang lại câu trả lời tìm kiếm lâu nay cho câu hỏi làm thế nào người ta cĩ thể giả cách sự tăng trưởng của chất rắn với động lực học tăng trưởng dị hướng cao. Sự tinh vi c ủa b ề mặt Rào cản lớn nhất ngăn trở các nhà nghiên cứu xây dựng một mơ hình tồn diện của sự hình thành tinh thể băng tuyết là biết chắc chắn tốc độ các phân tử nước đơng đặc tại bề mặt băng. Câu hỏi này là sống cịn vì tốc độ tăng trưởng biến thiên của các mặt cơ sở và mặt lăng trụ rốt cuộc là cái xác định sự phụ thuộc nhiệt độ nhìn thấy ở biểu đồ hình thái học. Thật đáng tiếc, từ trước đến nay khơng ai từng đo được tốc độ tăng trưởng này với độ chính xác thích đáng, chúng ta cũng khơng cĩ một mơ hình bề mặt băng cho phép tính được tốc độ đơng đặc. Lại một lần nữa, động lực học phân tử chi tiết của băng khiến thật khĩ quan sát và lập mơ hình bề mặt của nĩ. Ở nhiệt độ gần điểm đơng đặc, chẳng hạn, các phân tử nước trong khơng khí bắn phá bề mặt ở tốc độ mà một lớp phân tử băng sẽ được lắng nên trong từng mili giây nếu như các phân tử va chạm đều dính vào bề mặt. Sử dụng các mơ phỏng động lực học phân tử để lập mơ hình sự tăng trưởng của những bề mặt bị kích động như thế thật khơng khả thi, và các chuyển động phân tử quá nhanh để cĩ thể ghi ảnh bằng kĩ thuật hiển vi quét. 7 Tuyển Physics World 2008 | © hiepkhachquay
11. May thay, người ta khơng cần phải hiểu thấu đáo từng chi tiết của động lực học bề mặt để lập mơ hình hành vi tăng trưởng. Như trường hợp thường sử dụng trong nghiên cứu vật lí vật chất hĩa đặc, người ta chỉ cần cĩ một phác họa chính xác hợp lí của cơ sở vật lí để làm ra sự tiến bộ. Đối với sự tăng trưởng tinh thể, phác họa này được gọi là “động học lắp ráp bề mặt”, theo đĩ người ta sử dụng một lí thuyết thống kê để thơng số hĩa vận tốc tăng trưởng là hàm của nhiệt độ, độ Nm và cĩ lẽ cả những điều kiện khác ở bề mặt. Lí thuyết thơng số hĩa sau đĩ được thúc ép bằng các phép đo vận tốc tăng trưởng theo lối kinh nghiệm. Mơ hình tinh thể. Các mơ hình tế bào – tự động, trong đĩ một lưới tế bào ở bên trái tương tác với một lưới khác theo một tập hợp quy luật rõ ràng, gần đây đã cho phép các nhà nghiên cứu mơ phỏng sự tăng trưởng của tinh thể băng tuyết. Nĩi theo nghĩa mang đậm tính kĩ thuật hơn, những mơ hình này đang bắt đầu hợp nhất các quy luật cĩ nguồn gốc tự nhiên mơ phỏng “động học lắp ráp” hợp lí ở bề mặt tinh thể, ngồi việc giải phương trình khuếch tán của một tinh thể đang lớn. Khi những kĩ thuật này trở nên tinh tế hơn, chúng ta sẽ cĩ thể tạo ra những mơ hình số của các tinh thể tuyết nhìn bên ngồi và tăng trưởng giống như trong thế giới thực. Việc thu được những phép đo thích hợp thật khĩ đến kinh ngạc vì người ta phải điều khiển cNn thận các điều kiện tăng trưởng để làm giảm sai số hệ thống. Ví dụ, những phép đo tốt nhất được thực hiện trong mơi trường áp suất thấp, nơi sự tăng trưởng khơng quá phức tạp do khuếch tán, và giao thoa kế laser được sử dụng để đo tốc độ lớn lên của từng mặt trên các đơn tinh thể cơ lập. Các nhà nghiên cứu hiện đang xây dựng những phép đo chính xác tốc độ tăng trưởng băng là hàm của nhiệt độ, độ Nm và các thơng số khác, nhưng những nan đề mới xuất hiện khi dữ liệu cải tiến. 8 | © hiepkhachquay
12. Chẳng hạn, những kết quả mới đây từ nhĩm nghiên cứu của tơi tại Viện Cơng nghệ California cho thấy trong các mơi trường áp suất thấp này, các mặt lăng trụ và mặt cơ sở lớn lên ở tốc độ xấp xỉ nhau, và khơng cĩ sự phụ thuộc kịch tính nào vào nhiệt độ. Dữ liệu đặc biệt khĩ hiểu ở nhiệt độ gần – 15 oC, nhiệt độ mà các tinh thể dạng bản mỏng nhất hình thành. Những phép đo này chất phác cho rằng các bản mỏng sẽ khơng hình thành ở - 15 oC, trái ngược hồn tồn với hàng loạt quan sát. Với những số liệu mới này, chúng ta chỉ mới đào sâu thêm bí Nn của biểu đồ hình thái học: khơng những chúng ta khơng thể giải thích những sự thay đổi hình thái theo nhiệt độ, mà nay chúng ta cịn khơng thể giải thích thỏa đáng sự hình thành của các bản mỏng chỉ tại một nhiệt độ mà thơi ! Cĩ vài cách hĩa giải những quan sát khác nhau này. Một khả năng là động học lắp ráp bị tác động mạnh bởi sự cĩ mặt của khơng khí tại bề mặt băng, chúng bị bỏ qua trong những phép đo tăng trưởng của chúng ta. Một khả năng khác là động học lắp ráp phụ thuộc vào chính cấu trúc bề mặt, nên sự tăng trưởng của các mặt lớn khác với các cạnh hẹp của những tinh thể kiểu bản. Thật đáng tiếc, những đề xuất này và đề xuất khác đều mang tính suy đốn, và tính cho đến nay khơng cĩ đề xuất nào xuất hiện là lời giải thích đúng đắn của các bộ số liệu mâu thuẫn nhau. Sự phức tạp với một hiện tượng đơn giản như thế - sự tăng trưởng của các tinh thể băng kiểu bản, mỏng – cĩ thể quá khĩ hiểu. Ít nhất là hiện nay chúng ta vẫn cịn lại đĩ sự thật khơng an tâm là chúng ta khơng cĩ khả năng giải thích, cho dù là ở mức định tính, một số trong những đặc trưng cơ bản nhất của các bơng hoa tuyết. Câu đ ố kết tinh Theo nhiều nghĩa, sự tăng trưởng của các tinh thể tuyết là một trường hợp nghiên cứu xuất sắc trong những vấn đề khái quát của động lực học tăng trưởng tinh thể. Băng là một chất đơn phân tử, tương đối đơn giản với các tương tác nội phân tử đã được mơ tả rõ ràng, và các tinh thể băng đang lớn lên từ hơi nước thật dễ thực hiện và khơng tốn kém. Nhưng, cả những thí nghiệm đơn giản mang lại sự đa dạng phong phú của các hình thái thú vị vẫn khơng dễ dàng gì hiểu được. Việc giải thích các tinh thể băng tuyết lớn lên như thế nào liên quan đến nhiều quá trình tự nhiên xảy ra ở nhiều cấp độ quy mơ chiều dài. Ở kích thước nhỏ, thách thức là việc phát triển động lực học phân tử của các bề mặt đang lớn và tìm hiểu xem các quá trình bề mặt biến đổi như thế nào theo nhiệt độ và các thơng số khác. Ở kích thước lớn hơn, người ta phải mơ tả sự truyền nhiệt và các hạt thơng qua sự khuếch tán và các dịng chảy kích thước lớn. Để lập mơ phỏng thành cơng các hình thái, người ta phải phát triển các kĩ thuật tính tốn hợp nhất cơ sở vật lí cĩ liên quan ở mọi kích thước này. Hơn nữa, một lượng nhỏ chất khí hoạt tính hĩa học được tìm thấy làm biến đổi đột ngột sự hình thành tinh thể tuyết, ngồi các xu hướng hĩa học chưa được khảo sát rộng rãi đối với biểu đồ hình thái học. Bơng hoa tuyết tầm thường biểu hiện một hiện tượng học gây ấn tượng sâu sắc xuất phát từ các tương tác huyền ảo giữa những quá trình tự nhiên cĩ vẻ đơn giản. Cĩ thể khơng cĩ ứng dụng cơng nghiệp trực tiếp nào cho các tinh thể tuyết, nhưng việc tìm hiểu chúng địi hỏi chúng ta phải khảo sát những câu hỏi cơ bản về cách thức chất rắn hình thành và các cấu trúc phát sinh như 9 Tuyển Physics World 2008 | © hiepkhachquay
13. thế nào trong khi tinh thể lớn lên. Nghiên cứu cơ bản này cĩ thể dẫn đến những khám phá mới trong ngành luyện kim, tự lắp ráp kích thước nano, và những lĩnh vực khác. Tuy nhiên, ngồi các câu hỏi khoa học bản chất, ngồi những ứng dụng thực tế của sự tăng trưởng tinh thể, và ngồi tầm quan trọng khí tượng học của băng tuyết khí quyển, chúng ta, những người suy nghĩ về các bơng hoa tuyết, cịn bị kích thích bởi một khát vọng đơn giản và thiết yếu muốn nhận thức thấu đáo thế giới tự nhiên xung quanh chúng ta. Những tác phNm băng tuyệt diệu này, thật phức tạp và đẹp tuyệt vời, dễ dàng rơi từ trên trời xuống với số lượng dư dật. Chúng ta phải tìm hiểu chúng được sinh ra như thế nào. Kenneth Libbrecht là một nhà vật lí tại Viện Cơng nghệ California, Mĩ Nguồn: The enigmatic Snowflake (Physics World, tháng 1/2008) hiepkhachquay dịch An Minh, 08/01/2008, 20:21:32 10 | © hiepkhachquay
14. Cơng ngh ệ spin vẫy gọi Tony Bland, Kiyoung Lee , Stephen Steinmüller Các dụng cụ vi điện tử khai thác spin của electron cũng như điện tích của nĩ hứa hẹn làm cách mạng hĩa nền cơng nghiệp điện tử. Thách thức, như Tony Bland, Kiyoung Lee và Stephan Steinmüller mơ tả, là tìm một phương pháp tích hợp các chất bán dẫn vào các mạch “cơng nghệ spin” như thế. Cách đây 80 năm, các nhà vật lí lí thuyết đã gặp một vấn đề: họ thiếu một sự mơ tả tốn học của các hạt cơ bản phù hợp với các nguyên lí của thuyết tương đối đặc biệt của Einstein lẫn lí thuyết cơ học lượng tử vừa mới hình thành. Năm 1927, Erwin Schrưdinger đã viết ra phương trình cơ lượng tử của chuyển động cho electron, nhưng phương trình này khơng kể đến thực tế các electron là những hạt tương đối tính. Băn khoăn trước tình cảnh này, Paul Dirac đã đi tìm một lời giải. Bác sĩ spin. Pha tạp gallium arsenide với các nguyên tử mangan mang lại cho chất bán dẫn các tính chất sắt từ, nhờ đĩ cho phép sử dụng nĩ làm dụng cụ bơm spin. 11 Tuyển Physics World 2008 | © hiepkhachquay
15. Phương trình Dirac thu được vào năm sau đĩ là một thành tựu tốn học, nĩ tiên đốn hai hiện tượng tự nhiên hồn tồn khơng ngờ trước. Thứ nhất là sự tồn tại của các phản hạt, chúng được chứng minh vào năm 1932 với sự khám phá ra positron (phản electron). Thứ hai là electron phải cĩ một xung lượng gĩc nội tại hay “spin” chỉ cĩ hai định hướng khả dĩ trong một từ trường ngồi: sắp thẳng hàng với trường, hay “up”; và sắp ngược lại, hay “down”. Electron nằm ở tâm điểm của cuộc cách mạng vi điện tử học, nơi nĩ chạy loanh quanh như con thoi trong các chất bán dẫn (thường là silicon) cho phép transistor và những dụng cụ khác như thế hoạt động. Nhưng những dụng cụ này – chúng là cơ sở cho mọi thứ từ lị vi sĩng cho đến những con tàu thăm dị vũ trụ - chỉ khai thác điện tích của electron, trong khi đã 70 năm sau khám phá mang tính đột phá nền tảng của Dirac, spin của electron vẫn bị phần lớn bỏ qua bởi nền cơng nghiệp dụng cụ và bán dẫn. Một nguyên nhân cho điều này là sự thành cơng phi thường của các dụng cụ thu nhỏ. Trong vịng 40 năm, số transistor trên đơn vị diện tích cĩ thể khắc axit lên một con chip silicon – yếu tố, ví dụ, chi phối cơng suất xử lí của máy tính – đã tăng lên gấp đơi mỗi 18 tháng một lần, một xu hướng được gọi là định luật Moore. Nhưng ngày nay chúng ta đang nhanh chĩng tiến tới giới hạn của mức độ nhỏ và gần mà những transistor này cĩ thể nhồi nhét trước khi nhiệt do chúng thải ra khơng tiêu tán đủ nhanh, hay các hiệu ứng cơ lượng tử khơng mong muốn ngăn cản chúng thực hiện vai trị một cách chính xác. Nếu như định luật Moore tiếp diễn, chúng ta cần phải tìm một thứ thay thế cho vi điện tử học truyền thống – đĩ là thời kì khai thác spin của electron trong các dụng cụ bán dẫn. Trong khi các dụng cụ điện tử truyền thống chỉ dựa trên việc điều khiển dịng điện tích, thì một dụng cụ thuộc “cơng nghệ spin” cịn điều khiển dịng spin electron (cái gọi là dịng điện spin) bên trong dụng cụ, nhờ đĩ cĩ thêm một độ tự do nữa. Vì spin của một electron cĩ thể chuyển từ một trạng thái này sang trạng thái khác nhanh hơn nhiều so với điện tích cĩ thể di chuyển xung quanh một mạch điện, nên các dụng cụ cơng nghệ spin được người ta trơng đợi hoạt động nhanh hơn và sản ra ít nhiệt hơn các linh kiện vi điện tử truyền thống. Một trong các mục tiêu tối hậu là chế tạo một transistor trên nền spin thay thế cho các transistor truyền thống trong các mạch logic tích hợp và các dụng cụ nhớ, vì thế cho phép khuynh hướng thu nhỏ tiếp diễn. Tuy nhiên, cơng nghệ spin cũng mở ra cánh cửa đi tới những loại dụng cụ hồn tồn mới, ví dụ như điơt phát quang (LED) phát ra ánh sáng phân cực trịn trái hoặc phải dùng cho truyền thơng mã hĩa (xem hình Các dụng cụ trên nền spin ). Nhìn xa hơn tới tương lai, các dụng cụ cơng nghệ spin cĩ thể cịn được sử dụng làm các bit lượng tử, đơn vị thơng tin do máy tính lượng tử xử lí. Tuy nhiên, để cuộc cách mạng cơng nghệ spin xảy ra, các nhà nghiên cứu cần tìm một phương pháp bơm, điều khiển và phát hiện spin của electron trong chất bán dẫn, vì những chất này cĩ khả năng vẫn là trọng tâm đối với nền vật lí dụng cụ trong tương lai trước mắt. Việc điều khiển spin trên lí thuyết thì tương đối dễ, nhưng việc bơm và phát hiện spin dưới những điều kiện thực tế là sự thách thức lớn. 12 | © hiepkhachquay
16. Các dụng cụ trên nền spin. Mục tiêu của các dụng cụ cơng nghệ spin là khai thác spin cũng như điện tích của các electron truyền qua chúng. Điơt phát quang spin (spn-LED, hình trên cùng bên trái), chẳng hạn, trong đĩ các electron phân cực spin được bơm từ một lớp sắt từ (màu xanh) vào một cấu trúc bán dẫn (màu cam) tái kết hợp với các lỗ trống trong vùng hoạt tính (màu vàng) tạo ra ánh sáng phân cực trịn (màu hồng, trong đĩ mũi tên chỉ hướng phân cực) đã được chứng minh trong phịng thí nghiệm và cĩ thể cĩ ích cho truyền thơng mã hĩa. Tuy nhiên, cĩ thể vài ba năm nữa thì dụng cụ hữu dụng trực tiếp nhất như thế - một transistor trên nền spin – mới được chế tạo. Trong một transistor spin mạn bên (hình ở trên bên phải), các electron phân cực spin được bơm từ một nguồn sắt từ vào một kênh bán dẫn hẹp (màu vàng) trong đĩ các spin electron chỉ cĩ thể chuyển động trong hai chiều. Ở đây, spin cĩ thể chuyển giữa up và down bằng một từ trường đặt vào hay một cổng điện thế, do đĩ xác định dịng spin ra trong chất “thu” sắt từ. Một cách tiếp cận khác là transistor spin đơn electron (hình dưới bên trái), trong đĩ một nguồn sắt từ bơm một electron phân cực vào một cấu trúc nano bán dẫn gọi là chấm lượng tử, trong đĩ trạng thái spin của nĩ – và do đĩ là dịng điện ra ở cực thu sắt từ - được điều khiển bằng cổng điện thế đặt vào. Một thiết kế thứ ba cho transistor cơng nghệ spin là transistor đường hầm từ (hình dưới bên phải), trong đĩ các electron bơm vào được lọcphụ thuộc vào spin của chúng khi chúng chui hầm qua một lớp cách điện mỏng (màu đỏ), như xảy ra trong tiếp giáp đường hầm từ, trước khi đi qua hàng rào Schottky. Dịng điện ra trong chất bán dẫn “collector” do đĩ cĩ thể điều khiển bằng cách thay đổi sự thẳng hàng spin của các lớp sắt từ “emitter” và “base”. Thành tựu to lớn Spin electron là một mĩn hàng lớn nằm ngồi nền cơng nghiệp bán dẫn. Thật ra, các dụng cụ cơng nghệ spin trên nền kim loại cĩ thể tìm thấy trên các ổ đĩa cứng của hầu hết từng máy vi tính trên hành tinh này. Năm 1988, Peter Grünberg tại Trung tâm Nghiên cứu Jülich ở Đức, và Albert Fert tại Đại học Paris-Sub ở Pháp, độc lập với nhau, đã khám phá ra rằng dịng electron phân cực spin giữa hai lớp mỏng kim loại sắt từ cách nhau bởi một lớp kim loại phi từ tính cĩ thể tăng lên khoảng 3% bằng cách thay đổi sự thẳng hàng từ tương đối của các lớp sắt từ đối song sang song song – khám phá đã mang lại cho họ giải Nobel Vật lí năm 2007. Hiệu ứng này – gọi là từ trở khổng lồ (GMR) – làm cho cĩ thể chế tạo các đầu đọc từ của ổ đĩa cứng nhạy hơn nhiều với những sự thay đổi từ trường, nâng cao dung lượng lưu trữ bởi cho phép thơng tin cĩ thể lưu trữ trong những vùng nhỏ hơn nhiều trên mặt đĩa. 13 Tuyển Physics World 2008 | © hiepkhachquay
17. Tiếp giáp chui hầm từ tính. Tiếp giáp chui hầm từ tính, gồm hai lớp sắt từ (màu xanh) cách nhau bởi một lớp điện mơi (màu đỏ), khai thác từ trở chui hầm (TMR) chuyển dịng spin ra giữa cao và thấp. Như vậy, dụng cụ cĩ thể sử dụng làm bộ nhớ lưu trữ thơng tin cả khi nguồn cấp tắt đi. Khi sự từ hĩa của hai lớp từ tính là song song, các electron spin up cĩ thể chui hầm qua rào chắn vì nhiều trạng thái khơng bị chiếm giữ cĩ sẵn trong lớp sắt từ thứ hai (hình trên). Tuy nhiên, khi hai lớp là đối song, các trạng thái spin up khơng nhiều lại cĩ sẵn, nên sự chui hầm bị triệt tiêu (hình dưới). Sự chênh lệch dịng điện chui hầm khi sự thẳng hàng spin của các lớp sắt từ chuyển giữa song song và đối song được gọi là tỉ số TMR, và hữu ích cho việc chế tạo những dụng cụ thực tế mà TMR khoảng 500% là cần thiết. Kể từ năm 1995, khi TMR nhiệt độ phịng được chứng minh lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã thu được các giá trị TMR cao hơn nhiều bằng cách thay đổi chất cách điện và mặt tiếp giáp của nĩ. Khả năng vận chuyển spin electron giữa hai kim loại cịn làm cơ sở cho bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên từ trở lớn (MRAM) – một loại mới lạ của bộ nhớ máy tính cĩ thể vẫn giữ thơng tin mà khơng cần cấp nguồn. MRAM hoạt động trên cơ sở một hiệu ứng giống với GMR gọi là từ trở chui hầm (TMR) phát sinh khi hai lớp kim loại sắt từ cách nhau bởi một lớp mỏng chất cách điện, ví dụ như nhơm ơxit hay magiê ơxit. Thay vì các electron phân cực spin khuếch tán dần từ lớp sắt từ này sang lớp kia như xảy ra trong GMR, trong TMR chúng chui hầm cơ lượng tử (một quá trình bị cấm theo lí thuyết cổ điển, trong đĩ một hạt đi qua một hàng rào thế cao hơn động năng của nĩ) qua lớp rào – vì thế những dụng cụ này được gọi là tiếp giáp chui hầm từ tính (MTJ) (xem hình Tiếp giáp chui hầm từ tính ). Khi đĩ nguyên lí loại trừ Pauli phát huy tác dụng. Sự chui hầm – và do đĩ sự vận chuyển spin qua rào thế - chỉ cĩ thể xảy ra nếu như các trạng thái sĩng trống khơng (tức là khơng bị chiếm giữ) với cùng spin cĩ sẵn ở phía bên kia rào thế: kết quả là sự chui hầm phụ thuộc spin. 14 | © hiepkhachquay
18. Sự chui hầm phụ thuộc spin như thế được chứng minh ở nhiệt độ thấp vào năm 1975 bởi Michel Jullière tại Viện Khoa học Ứng dụng quốc gia de Lyon ở Pháp. Nhưng mãi cho đến năm 1995 thì Terunobu Miyazaki tại Đại học Tohoku ở Nhật, và Jagadeesh Moodera tại Viện Cơng nghệ Massachusetts (MIT) ở Mĩ, mới độc lập nhau chỉ ra rằng cĩ thể thu được TMR ở nhiệt độ phịng. Thật đáng tiếc, sự thay đổi dịng chui hầm khi sự thẳng hàng spin của các lớp sắt từ chuyển giữa song song và đối song – gọi là tỉ số TMR – chỉ 12-18% trong dụng cụ của Miyazaki và của Moodera, thấp hơn nhiều giá trị cần thiết để chế tạo một dụng cụ nhớ thực tế. Tuy nhiên, nhờ một chương trình nghiên cứu chủ đạo về từ trở chui hầm do Cơ quan nghiên cứu tiên tiến Bộ quốc phịng (DARPA) ở Mĩ, cũng như một nỗ lực nghiên cứu cơng nghiệp đáng kể, tỉ số TMR cuối cùng đã tăng lên 70% vào cuối thập niên 1990. Gần đây hơn, khả năng chế tạo các mặt phân giới phẳng nguyên tử giữa các lớp kim loại và ơxit đã cho phép nhĩm của Stuart Parkin tại Trung tâm Nghiên cứu Almaden ở California, và Shinji Yuasa và các đồng sự tại AIST ở Nhật Bản độc lập nhau thu được các giá trị TMR khoảng 400% qua sự chui hầm kết hợp. Các mảng MRAM thương mại trên nền TMR bắt đầu cĩ mặt trên thị trường, và những dụng cụ này cĩ thể một ngày nào đĩ được sử dụng để chế tạo các máy tính cá nhân bật mở ngay tức thì. TMR dựa trên một số lượng lớn electron với trạng thái spin mong muốn truyền qua mặt phân giới giữa các kim loại sắt từ và ơxit kim loại cách điện. Tuy nhiên, để cĩ khả năng sản xuất các dụng cụ cơng nghệ spin bán dẫn, chúng ta phải thu được hành vi như thế qua mặt phân giới hình thành giữa một chất bán dẫn và một chất cĩ thể đảm nhận vai trị máy bơm spin hay máy dị. Sức hút từ tính Silicon và gallium arsenide là hai chất bán dẫn được sử dụng rộng rãi nhất, nên thách thức là việc tìm các chất phân cực spin – tức là các chất trong đĩ đa số spin electron sắp thẳng hàng theo một hướng nhất định – cĩ thể kết hợp với chúng. Ứng cử viên triển vọng là “các chất bán dẫn từ lỗng” (DMS) – các chất bán dẫn, khi pha lẫn với tạp chất, biểu hiện tính sắt từ. Năm 1999, hai nhĩm nghiên cứu độc lập đã bơm các electron phân cực spin từ một chất bán dẫn từ tính vào gallium arsenide. Laurens Molenkamp và các đồng sự tại Đại học Würzburg, Đức, duy trì được sự phân cực 90% trong quá trình bơm spin từ một chất bán dẫn phân cực spin vào một cấu trúc gallium arsenide ở nhiệt độ thấp, mặc dù chất bơm bán dẫn cần một từ trường ngồi để duy trì sự phân cực của nĩ. Nhĩm của Hideo Ohno ở Tohoku, Nhật Bản, hợp tác với nhĩm của David Awschalom tại Đại học California, Santa Barbara, mặt khác, đã làm chủ được kì cơng tương tự từ một DMS “đích thực” khơng địi hỏi một từ trường đặt vào, mặc dù các nhà nghiên cứu chỉ thu được sự phân cực spin bơm vào khoảng 1%. Cùng với nhau, hai thí nghiệm này chứng minh rằng cĩ thể bơm spin vào một chất bán dẫn; nhằm phát triển một dụng cụ thực tế, bước tiếp theo là tìm các chất DMS cho phép bơm spin mạnh ở nhiệt độ phịng với các trường đặt vào vừa phải (hay bằng khơng). Vào năm 2000, Thomas Dietl thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Ba Lan ở Warsaw đã thực hiện một đột phá quan trọng theo khía cạnh này. Ơng đã chỉ ra rằng nhiệt độ (Curie) cao nhất mà 15 Tuyển Physics World 2008 | © hiepkhachquay
19. tính sắt từ xảy ra trong các chất DMS nhất định phải tăng đáng kể khi pha tạp chúng với nồng độ tăng dần của các nguyên tố từ tính, đặc biệt là mangan hoặc cơban. Tính tốn của ơng dựa trên một quan điểm được đề xuất lần đầu tiên bởi nhà vật lí người Mĩ Clarence Zener vào thập niên 1950, trong đĩ tương tác giữa mơmen từ của các nguyên tử tạp chất cố định và mơmen từ của các lỗ trống linh động trong chất bán dẫn cĩ thể làm cho các mơmen sắp thẳng hàng giống như bên trong một chất sắt từ. Hơn nữa, hiệu ứng này sẽ áp đảo hiệu ứng khơng sắp thẳng hàng do nhiệt độ cao gây ra. Đáng chú ý là các tính tốn của Dietl cho thấy các chất bán dẫn được sử dụng phổ biến kẽm ơxit và gali nitride, với sự pha tạp đúng mức, sẽ biểu hiện tốt tính sắt từ ở trên nhiệt độ phịng, từ đĩ khơi mào một nỗ lực quốc tế chủ đạo nhằm phát triển các chất DMS thực tế (xem hình Tăng nhiệt độ Curie ). Tăng nhiệt độ Curie. Các chất bán dẫn từ lỗng, biểu hiện sự phân cực spin khi pha tạp với những nguyên tố nhất định, là chất liệu ứng cử viên tuyệt vời cho việc bơm các electron phân cực spin vào một chất bán dẫn. Tuy nhiên, để hữu ích trong thực tế thì nhiệt độ Curie của các chất này – nhiệt độ mà trên đĩ hành vi sắt từ sẽ khơng cịn – phải cao. Một số trong các chất triển vọng nhất là kẽm mangan ơxit (ZnMnO), cơban ơxit pha tạp titan và thiếc (Co[Ti,Sn]O) và gali mangan nitride (GaMnN). Tuy nhiên, cĩ một số bàn cãi xung quanh nhiệt độ Curie đo được của những chất này. Hồi năm 2001 và 2003, hai nhĩm đã tiên đốn nhiệt độ Curie vào khoảng 600 K đối với cơban ơxit pha tạp titan hoặc thiếc, nhưng sau đĩ khơng hề cĩ sự xác nhận thực nghiệm cĩ sức thuyết phục nào hết. Một nỗ lực đáng kể cũng đã được thực hiện nhằm làm tăng nhiệt độ Curie ở gali arsenide bằng cách pha tạp nĩ với mangan, nhưng giá trị cao nhất được báo cáo tính cho đến nay – 250 K – bị đưa vào vịng nghi vấn vào một phép phân tích lại số liệu. Cột màu xanh chỉ ra giá trị tiên đốn của Dietl, cịn mũi tên màu trắng cho biểu diễn phạm vi giá trị thực nghiệm đối với các nồng độ khác nhau. Tuy nhiên, việc tìm một chất biểu hiện tốt sự phân cực spin ở trên nhiệt độ phịng khơng phải là thách thức duy nhất trong việc phát triển một máy bơm spin thực tế. Trước hết, nĩ phải cĩ một sự phân cực lớn để cĩ thể bơm đủ các electron phân cực spin vào trong chất bán dẫn. Thứ hai, nĩ phải cĩ thể điều khiển các tính chất của mặt phân giới hình thành khi chất bơm lắng trên chất bán dẫn đĩ. Trong khi phát triển các tiếp giáp đường hầm từ tính hồi thập niên 1990, các nhà nghiên cứu biết rằng tính chất của một vài lớp nguyên tử gần với mặt tiếp giáp cĩ ảnh hưởng quan trọng lên hiệu suất bơm spin. Đây là vì những lượng rất nhỏ của sự trộn lẫn hĩa chất giữa các lớp 16 | © hiepkhachquay
20. cĩ thể làm tán xạ các electron vào những trạng thái mới và do đĩ làm giảm căn bản lượng electron khiến nĩ đi qua mặt phân giới đồng thời vẫn giữ nguyên sự phân cực. Thật khĩ điều khiển tính chất của các chất DMS trong khối chất hình thành, và cịn khĩ hơn nữa khi chất đĩ lắng trên một màng mỏng, như địi hỏi khi chế tạo dụng cụ. Việc thu được mặt phân giới rõ ràng giữa các chất DMS và chất bán dẫn, do đĩ, đưa ra một thử thách đáng kể cho các nhà nghiên cứu cố gắng chế tạo các dụng cụ cơng nghệ spin trên nền DMS. Giấc mộng chui hầm Tuy nhiên, cĩ một sự lựa chọn và một phương pháp khác về cơ bản để thu được sự bơm spin. Trong khi nhiều nhà nghiên cứu tập trung vào các chất DMS, thì những người khác giải thích rằng nếu các electron phân cực spin cĩ thể truyền qua mặt phân giới giữa một chất bán dẫn và một kim loại từ tính, thì khi đĩ kim loại đĩ cĩ thể sử dụng làm bộ phân cực spin hiệu quả cao. Hơn nữa, vì mặt phân giới kim loại đã được nghiên cứu trong hàng thập kỉ, nên thật là dễ hơn nhiều việc điều khiển tính chất mặt phân giới trong những cấu trúc dụng cụ như thế. Vào cuối thập niên 1990, một vài nhĩm nghiên cứu đã thử bơm các electron phân cực spin từ các kim loại và hợp kim từ tính lắng trực tiếp lên gali arsenide, nhưng những nghiên cứu sơ khai này thu được sự phân cực bơm chỉ vài ba phần trăm. Một luồng giĩ khác thổi vào ý tưởng đĩ đã được thực hiện trong năm 2000, khi Georg Schmidt và các đồng sự tại Đại học Würzburg sử dụng một mơ hình đơn giản của mạng điện trở chỉ ra rằng sự phân cực spin gần như 100% là cần thiết trong kim loại từ tính để bơm sự phân cực spin hữu ích vào trong chất bán dẫn. Những sự phân cực cao như thế khơng thể nào thu được trong thực tế, nên trong một thời gian ngắn hình như các chất bơm spin bán dẫn là phương pháp duy nhất để tiếp tục nghiên cứu. Tuy nhiên, quan điểm này chuyển hướng hầu như ngay lập tức, khi Emmanuel Rashba tại MIT nhận ra rằng việc tạo ra một hàng rào chui hầm giữa kim loại từ tính và chất bán dẫn sẽ giải quyết được bài tốn đĩ. Ơng tiên đốn rằng sự phân cực spin trong kim loại dẫn sẽ bảo tồn trong khi chui hầm, và do đĩ máy bơm spin rào-chắn-kim-loại-sắt-từ tương tự như một tiếp giáp đường hầm từ tính. Sau bước phát triển này, một nỗ lực chung đã được thực hiện nhằm nghiên cứu sự phân cực spin bơm vào trong cấu trúc kim loại sắt từ gali arsenide. Trong những chất như thế, điện tích được phân bố lại khi tiếp giáp giữa kim loại và chất bán dẫn hình thành, từ đĩ tạo ra một hàng rào chui hầm “Schottky” tại mặt phân giới. Hĩa ra loại cấu trúc này cũng chứng minh cho khái niệm spin-LED (xem hình Bơm quang điện và phát hiện): khi một electron phân cực được bơm từ lớp sắt từ vào chất bán dẫn, nĩ tái kết hợp với một lỗ trống, mang lại sự phát xạ ánh sáng phân cực trịn. (Trong LED truyền thống, trái lại, các electron khơng phân cực và lỗ trống kết hợp nhau tạo ra ánh sáng khơng phân cực) Một vài nhĩm nghiên cứu hiện đang thử khai thác hiện tượng này để phát triển một dụng cụ spin-LED thực tế. Tuy nhiên, vì số lượng electron phân cực spin chui qua hàng rào phụ thuộc vào tính chất của nĩ, nên một vài nhà nghiên cứu đã thử thay thế hàng rào Schottky bằng một lớp cách điện mỏng trong một nỗ lực nhằm làm tăng tín hiệu bơm spin trong các hệ bán dẫn kim loại sắt từ. Năm 2003, Pol Van Dorpe và các đồng sự tại Trung tâm Vi điện tử học Liên trường đại học 17 Tuyển Physics World 2008 | © hiepkhachquay
21. (IMEC) ở Leuven, Bỉ, thu được sự phân cực spin bơm vào chỉ trên 20% ở nhiệt độ phịng với lớp cách điện nhơm ơxit. Rồi thì hai năm sau đĩ, nhĩm của Parkin tại IBM chỉ ra rằng việc sử dụng magiê ơxit làm chất cách điện cải thiện hiệu suất thêm nữa, nhưng sự phân cực bơm vào nhạy cảm cao độ với cấu trúc tinh thể của chất làm hàng rào. Bơm quang điện và phát hiện. Nguyên tắc hoạt động của spin-LED cĩ thể được mơ phỏng để cho phép phát hiện spin – điều cần thiết cho các dụng cụ cơng nghệ spin thực tế. Trong một spin-LED (hình trên), khi một electron phân cực spin được bơm từ lớp sắt từ (màu xanh) vào trong chất bán dân (màu cam và vàng) qua một hàng rào Schottky (màu hồng), nĩ tái kết hợp với một lỗ trống (màu đỏ) và trong quá trình đĩ phát ra một photon phân cực trịn. Mức độ phân cực trịn cĩ thể được sử dụng để ước tính biên độ của sự phân cực spin bơm vào. Quá trình này cũng cĩ thể đảo ngược lại bằng cách rọi ánh sáng phân cực trịn lên cấu trúc bán dẫn, làm phát sinh nhiều electron phân cực spin bị kích thích bên trong chất bán dẫn (hình dưới). Tùy thuộc vào hướng tương đối của sự từ hĩa của máy dị sắt từ so với sự phân cực photon, các electron quang-kích thích ở trạng thái spin “up” (hoặc “down” nếu như sự từ hĩa ngược lại) cĩ thể chui hầm qua hàng rào Schottky vào lớp sắt từ, nơi chúng cĩ thể bị phát hiện dưới dạng tín hiệu điện. Trong khi đĩ, tiến bộ cũng được thực hiện trong một thách thức lớn khác địi hỏi phải vượt qua để chế tạo một dụng cụ cơng nghệ spin: việc phát hiện spin. Một phương pháp thực hiện việc này là đảo ngược quá trình cho phép spin-LED hoạt động (xem hình Bơm quang điện và phát hiện). Khi rọi ánh sáng phân cực vào cấu trúc lai kim loại sắt từ - hàng rào Schottky – gali arsenide, nhiều electron phân cực spin được phát ra bên trong chất gali arsenide (thơng qua các quy luật quang lọc lựa đối với chất bán dẫn này). Những electron này sau đĩ cĩ thể chui hầm trở lại qua hàng rào Schottky vào kim loại sắt từ, nơi chúng cĩ thể được phát hiện về mặt điện, nên mang lại một phương pháp phát hiện spin electron. Năm 2004, nhĩm của chúng tơi ở Cambridge đã sử dụng một cấu trúc như thế biểu hiện hiệu ứng này tạo ra điện thế phụ thuộc vào phần trăm số electron trong kim loại sắt từ bị phân cực. Kể từ đĩ, chúng tơi nhận thấy rằng bằng cách thay thế lớp đơn kim loại sắt từ bằng một van kim loại GMR (tức là hai lớp mỏng kim loại sắt từ cách nhau bởi một lớp mỏng kim loại phi từ tính), thì dịng điện chạy vào kim loại cĩ thể được xác định tách biệt với dịng điện chạy vào 18 | © hiepkhachquay
22. chất bán dẫn, vì van đĩng vai trị như một cổng bật mở dịng điện chạy vào kim loại là on hay off theo sự sắp thẳng hàng từ tính của các lớp của nĩ. Sử dụng van spin theo kiểu này cho phép chúng ta định lượng hiệu ứng lọc lựa spin của mặt phân giới; và do đĩ ước tính độ phân cực của dịng điện phát hiện được. Vấn đề mặt phân giới Chúng ta đang ở vào thời điểm 6 năm sau những tiên đốn của Dielt rằng nhiệt độ Curie của các chất DMS nhất định phải tăng đáng kể theo sự pha tạp sắt từ. Nhưng cho đến nay vẫn chưa cĩ ai tìm thấy các chất bán dẫn sắt từ thích hợp hoạt động ở nhiệt độ phịng và cĩ thể sử dụng trong các dụng cụ cơng nghệ spin bán dẫn thực tế. Tuy nhiên, trong khi nỗ lực phát triển cơng nghệ spin trên nền DMS tiếp diễn, thì sự phát triển nổi bật của cơng nghệ tiếp giáp đường hầm từ tính đã mang lại sự thúc đNy to lớn cho việc sử dụng kim loại sắt từ kết hợp với chất bán dẫn. Trong khi các kim loại chuyển tiếp sắt từ khơng mang lại sự phân cực spin 100%, thì điều này khơng cần thiết đối với các dụng cụ thực tế: những tiên đốn lí thuyết đề xuất rằng bằng cách điều khiển cấu trúc mặt phân giới và thành phần, và sử dụng những hàng rào thích hợp, các hệ kim loại sắt từ tương lai cĩ thể mang lại sự tăng ngoạn mục ở sự truyền spin trên các chất bơm/phát hiện đã thử từ trước đến giờ. Sự phát triển thành cơng của MTJ vừa cho thấy tính chất của một vài lớp nguyên tử gần với mặt phân giới cĩ ảnh hưởng quan trọng lên sự truyền spin. Trong tương lai, sẽ thật quan trọng việc điều khiển chính xác cấu trúc của các chất dùng trong những dụng cụ cơng nghệ spin bán dẫn, bằng cách làm cho khớp sự định hướng tinh thể của mặt phân giới với sự định hướng tinh thể của chất bơm/phát hiện spin, và rõ ràng là cĩ nhiều lộ trình mới đầy triển vọng để nghiên cứu. Trong khi người ta khơng thể nĩi chắc chừng nào thì điều này xảy ra, nhưng trơng rất cĩ thể là cuộc cách mạng cơng nghệ spin bán dẫn sẽ được mở đầu bằng những dụng cụ sử dụng các màng kim loại chuyển tiếp từ tính tìm thấy trong các dụng cụ MRAM và MTJ. Cơng nghệ spin bán dẫn • Ngồi điện tích của chúng, các electron cịn cĩ một xung lượng gĩc nội, hay spin, chỉ cĩ hai sự định hướng khả dĩ trong một từ trường ngồi. • Spin electron hiện nay đã được khai thác trong ổ đĩa cứng máy vi tính và bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ trở qua hiệu ứng từ trở khổng lồ và từ trở chui hầm xảy ra trong các cấu trúc kim loại phân lớp. • Các dụng cụ bán dẫn khai thác spin cũng như điện tích sẽ hoạt động nhanh hơn các dụng cụ vi điện tử truyền thống và mang lại chức năng mới. • Thách thức chủ yếu trong việc chế tạo một dụng cụ như thế là việc vận chuyển các electron phân cực spin một cách hiệu quả đi vào và ra khỏi vùng chất bán dẫn của dụng cụ đĩ. • Hiện nay, các nhà nghiên cứu đang đi theo hai phương pháp bơm và phát hiện spin: các chất bán dẫn từ lỗng lắng trên các chất bán dẫn truyền thống; và các kim loại sắt từ lắng trên các chất bán dẫn. 19 Tuyển Physics World 2008 | © hiepkhachquay
23. Tài liệu tham khảo D D Awschalom et al. 2007 The diamond age of spintronics Scientific American 297 58 J A C Bland et al. 2005 Optical studies of electron spin transmission Ultrathin Magnetic Structures IV (ed) B Heinrich and J A C Bland (Springer, New York) pp59–100 T Dietl 2003 Dilute magnetic semiconductor: functional ferromagnets Nature Materials 2 646 B T Jonker and M E Flatté 2006 Electrical spin injection and transport in semiconductors Nanomagnetism (ed) D L Mills and J A C Bland (Elsevier, Amsterdam) pp227–272 H Ohno et al. 2000 Electric-field control of ferromagnetism Nature 408 944 S A Wolf et al. 2001 Spintronics: A spin-based electronics vision for the future Science 294 1488 I Zutic et al. 2004 Spintronics: fundamentals and applications Rev. Mod. Phys. 76 323 Tony Bland, Kiyoung Lee và Stephen Steinmüller , Phịng thí nghiệm Cavendish, Đại học Cambridge, Anh hiepkhachquay dịch Nguồn: The spintronics challenge (Physics World, tháng 1/2008) An Minh, ngày 12/01/2008, 13:58:14 20 | © hiepkhachquay
24. Kĩ thu ật ảnh giao thoa ba chi ều thơng minh Chris Lowe, Cynthia Larbey Kĩ thuật chụp ảnh giao thoa ba chiều phản ứng với tác nhân lí, hĩa và sinh đang mang lại những phép thử chn đốn mới với các ứng dụng đa dạng từ hàng khơng cho tới y khoa, như Chris Lowe và Cynthia Larbey mơ tả sau đây. Ít nhất là 6% nền thương mại thế giới, tương đương với chừng 200 tỉ đơ la mỗi năm, cĩ liên quan tới các sản phNm giả mạo. Nhưng con số này thậm chí sẽ cịn cao hơn nếu như khơng cĩ kĩ thuật ảnh giao thoa nổi. Được phát minh cách đây 50 năm, kĩ thuật ảnh giao thoa nổi mang lại các nhãn xác nhận chống sao chép, và cĩ thể tìm thấy ở mọi nơi từ thẻ tín dụng, hộ chiếu và giấy bạc cho đến hàng tiêu dùng, mỹ phNm và dược phNm. Kĩ thuật ảnh giao thoa nổi cũng là cơ sở cho máy quét dùng ở siêu thị và máy hát đĩa CD; nĩ cịn được sử dụng để lưu trữ dữ liệu quang 3D. Tuy nhiên, hiện nay kĩ thuật ảnh giao thoa nổi đang biểu hiện chúng là cơng cụ chNn đốn rẻ tiền mạnh mẽ nhất, chúng cĩ thể cĩ nhiều ứng dụng, nhất là trong hĩa sinh học. Tuy vậy, mãi cho đến gần đây, kĩ thuật ảnh giao thoa nổi y khoa vẫn là chất liệu của truyện viễn tưởng khoa học. Trong loạt phim truyền hình Star Trek: Vogayer hồi năm 1995 chẳng hạn, phi hành đồn thế kỉ 24 xử lí một tốn quân du kích ở cách xa 70.000 năm ánh sáng, trong chuyến đi đĩ bác sĩ của con tàu bị giết chết, phi hành đồn dựa vào “kĩ thuật ảnh giao thoa nổi y khoa khNn cấp” để chống đỡ. Nhưng truyện viễn tưởng khoa học nay đang chuyển thành thực tế khoa học, với một vài kĩ thuật ảnh giao thoa nổi “thơng minh” dùng cho chNn đốn và các ứng dụng khác đã đi vào thị trường. 21 Tuyển Physics World 2008 | © hiepkhachquay
25. Các phép thử chNn đốn thật là cũ rích trong thế giới hiện đại – thường dùng để ước định mọi thứ từ bệnh tật và an tồn thực phNm cho đến an ninh và khủng bố sinh học. Hiện nay, những cơng việc này được thực hiện bằng cách đo một vài thơng số hĩa học và sinh học trong vật mẫu dễ dàng sử dụng và rồi gửi chúng đến phịng thí nghiệm trung tâm để phân tích. Mặc dù những phịng thí nghiệm như thế thường là tự động hĩa hồn tồn và thậm chí khơng yêu cầu sự tinh thơng của một nhà khoa học, nhưng cĩ thể vẫn mất vài ngày trước khi kết quả được gửi trả lại – sự chậm trễ cĩ thể gây trở ngại cho chNn đốn. Cĩ một số thứ cách mạng trong chNn đốn y khoa trong những năm gần đây, với các thử nghiệm tăng cường mang đến cho người bệnh. Ví dụ, các phép thử xử lí bên người bệnh đã làm giảm thời gian phân tích “tác nhân gây bệnh tim” từ hàng ngày trong phịng thí nghiệm trung tâm xuống cịn hàng phút, nhờ đĩ đNy nhanh tiến độ xử lí y khoa quan trọng liên quan tới các cơn đau tim. Các xu hướng tương tự biểu hiện trong theo dõi chất lượng nước, đảm bảo an tồn thực phNm và thức uống và trong kiểm nghiệm mơi trường, quân sự và chống khủng bố. Các phép thử “điểm mẫu” như thế cịn cĩ thể làm giảm giá thành trên mỗi phép thử đi hơn một phần ba, đồng thời tiết kiệm nhân sự. Tuy nhiên, vì việc thử nghiệm thường tiến hành trên mặt đất bằng cách bố trí nhân viên và yêu cầu trình diễn trực tiếp, nên về cơ bản thì cơng nghệ cơ sở là mạnh và chính xác. Các bộ cảm biến trên nền kĩ thuật ảnh giao thoa nổi thơng minh, tính chất quang của chúng thay đổi theo tác nhân bên ngồi, thật thích hợp lí tưởng cho kiểm nghiệm chNn đốn. Ngồi việc mang lại những bộ cảm biến đơn giản và đáng tin cậy với khả năng cài đặt sẵn kết quản đọc được, những kĩ thuật giao thoa nổi như thế là cĩ thể trụ vững được về mặt thương mại vì chúng cĩ thể được chế tạo bằng những kĩ thuật đã cĩ từ vi điện tử học, cơng nghiệp in ấn và nhiếp ảnh. Thật vậy, sản phNm đầu tiên như thế - một bộ cảm biến cĩ khả năng phát hiện ra lượng nhỏ nước trong nhiên liệu máy bay – sắp được tung ra bởi Smart Holograms, một cơng ti tách lập từ Viện Cơng nghệ sinh học tại Đại học Cambridge ở Anh. Ph ản tr ực giác và đầy tr ở ng ại Lí thuyết cơ sở cho kĩ thuật ảnh giao thoa nổi được phát triển vào năm 1947 bởi nhà vật lí sinh quán Hungary Dennis Gabor, nhờ đĩ ơng được trao giải Nobel Vật lí năm 1971. Khám phá của Gabor được thực hiện tình cờ trong khi cố gắng cải thiện độ phân giải của kính hiển vi điện tử, và lúc ấy nĩ khơng hề cĩ ứng dụng khác nào được biết. Thật vậy, tháng 9 năm 1948, tờ [ew York Times đã mơ tả kĩ thuật ảnh giao thoa nổi là “một tấm thảm thêu vị lai tái tạo một cách huyền bí hình ảnh thốt ra của khơng khí mỏng”, và mãi cho tới cuối những năm 1950 thì kĩ thuật đĩ bị cho là “phản trực giác và đầy trở ngại”, thuộc về “thực tiễn mơ hồ”, và thậm chí rõ ràng là “một chú voi trắng” ! Quan điểm đĩ đã dần thay đổi. Kĩ thuật ảnh giao thoa nổi là ghi lại mẫu giao thoa quang học giữa các sĩng ánh sáng. Để làm phát sinh ảnh giao thoa nổi, hai chùm ánh sáng kết hợp – gọi là chùm vật và chùm tham chiếu – được làm cho chồng chất trong một chất nhạy quang như polymer quang hay nhũ tương hợp chất halogen bạc. Chùm vật truyền ra từ vật và vì thế mang thơng tin về nĩ, cịn chùm tham chiếu dùng để ghi ảnh giao thoa nổi. Mẫu giao thoa quang học được lưu trữ tự nhiên dưới dạng sự biến đổi độ hấp thụ, chiết suất hay bề dày của chất ghi ảnh – hướng nĩ vào một cách tử nhiễu xạ chứa 22 | © hiepkhachquay
26. thơng tin về biên độ và pha của hai chùm ánh sáng ban đầu. Bằng cách rọi ráng cách tử với chùm tham chiếu, một bản sao yếu của chùm vật ban đầu cĩ thể được dựng lại. Ảnh giao thoa nổi được tạo ra bằng cách làm cho hai chùm ánh sáng kết hợp – gọi là chùm vật và chùm tham chiếu – chồng chất trong chất nhạy quang. Chùm vật truyền ra từ vật và vì thế mang thơng tin về nĩ, cịn chùm tham chiếu dùng để ghi và đọc ảnh. Mẫu giao thoa quang được lưu trữ tự nhiên dưới dạng sự biến đổi độ hấp thụ, chiết suất hoặc bề dày của chất ghi ảnh – nhờ đĩ biến nĩ thành một loạt vân giao thoa (tức là một cách tử nhiễu xạ) chứa thơng tin về biên độ và pha của hai chùm tia sáng ban đầu. Bằng cách chiếu chùm đọc lên cách tử, một bản sao yếu của chùm vật ban đầu – và do đĩ là vật – xuất hiện trở lại. Mặc dù hiểu được làm thế nào ảnh giao thoa nổi hoạt động, nhưng các nhà nghiên cứu khơng thể nào phát triển ý tưởng của Gabor mãi cho đến khi phát minh ra laser chừng 10 năm sau đĩ. Cĩ được một nguồn ánh sáng kết hợp như thế là yếu tố sống cịn đối với kĩ thuật ảnh giao thoa nổi, vì thơng tin lưu trữ trong ảnh giao thoa nổi phụ thuộc mạnh và pha và bước sĩng của ánh sáng (khơng giống như thơng tin lưu trữ trong ảnh chụp, chúng chỉ phụ thuộc vào cường độ ánh sáng). Ảnh giao thoa nổi đầu tiên cĩ thể ghi vật ba chiều được tạo ra vào năm 1962 bởi các nhà nghiên cứu người Mĩ Emmett Leith và Juris Upatnieks tại Đại học Michigan. Những ảnh này được gọi là ảnh giao thoa nổi truyền qua vì để xem chúng người ta phải cho một laser truyền qua ảnh nổi và quan sát ảnh tái dựng từ hướng ngược lại so với hướng của nguồn. Một phương pháp tinh vi sau đĩ, “ảnh giao thoa nổi truyền qua cầu vồng”, cho phép người ta xem ảnh giao thoa nổi cĩ màu sử dụng ánh sáng trắng phẳng. Những ảnh giao thoa nổi này – thường gồm một mẫu trên bề mặt của một tấm phim tráng lên một lá nhơm phản xạ - được sử dụng làm đặc điểm bảo mật 23 Tuyển Physics World 2008 | © hiepkhachquay
27. trên thẻ tín dụng và những sản phNm khác (Lá nhơm cho phép ánh sáng đi ra từ phía sau của ảnh nổi để tái dựng hình ảnh). Cùng năm đĩ, nhà vật lí người Liên Xơ Yuri Denisyuk tại Viện Ioffe ở St Petersburg đã phát triển một loại ảnh giao thoa nổi phổ biến khác: ảnh giao thoa nổi phản xạ hay ảnh giao thoa nổi Denisyuk, nĩ cĩ khả năng tái dựng nhiều màu sắc sử dụng sự rọi ánh sáng trắng trên cùng phía ảnh nổi như người xem. Ảnh giao thoa nổi Denisyuk sử dụng nhũ tương phim ảnh cấu tạo từ một polymer, một muối bạc nhạy sáng (bạc bromide) và một chất nhuộm bắt sáng tráng trên nền thủy tinh hay plastic và được xây dựng bằng cách cho một laser đi qua nhũ tương và đối hướng nĩ trở lại qua sự phản xạ khỏi một gương phẳng đĩng vai trị như vật. Mẫu sĩng đứng tạo ra khi chùm tia tới và chùm phản xạ gặp nhau được bảo quản ở dạng 3D qua các lớp hạt bạc kim loại cực kì tinh, nghĩa là ảnh giao thoa nổi dựa trên sự phản xạ nhiễu xạ từ các hạt bạc. Để đảm bảo rằng sự phản xạ từ các vị trí khác nhau giao thoa tăng cường lẫn nhau, các vân bạc phải cách nhau một cách đều đặn (Những cấu trúc tuần hồn tương tự là nguyên nhân của màu sắc lung linh tạo ra khi ánh sáng phản xạ từ CD-ROM hay những cánh bướm “ngũ sắc” nhất định). Trong một ảnh giao thoa nổi “thơng minh”, mẫu giao thoa được lưu trữ trong một chất mà tính chất của nĩ thay đổi theo những điều kiện mơi trường nhất định, vì thế làm biến đổi tính chất của mẫu giao thoa và như vậy là sự biểu hiện của chính ảnh giao thoa. Ảnh chụp qua kính hiển vi điện tử (bên trái) cho thấy ảnh giao thoa nổi của một gương phẳng tạo ra trong nhũ tương bạc halide, trong đĩ các vân giao thoa cấu thành từ các hạt bạc kim loại (đường kính khoảng 20 nm) phân bố trong chiều dày 5-10 µm của polymer thơng minh. Các vân gần như song song với bề mặt ảnh giao thoa nổi, rất giống với các trang cúa một cuốn sách đĩng, và cùng nhau tác dụng như một cách tử nhiễu xạ Bragg, mà dưới sự rọi ánh sáng trắng làm phản xạ một dải hẹp bước sĩng nhất định và tái tạo ảnh đơn sắc của mặt phẳng gương ban đầu (hay bất kì vật nào khác dùng trong ghi ảnh giao thoa nổi). Giao thoa tăng cường giữa các chùm phản xạ từng phần từ mỗi mặt phẳng vân cho một cực đại phổ đặc trưng cĩ bước sĩng khoảng chừng chi phối bởi định luật Bragg: mλ = 2ndsin θ, trong đĩ m là bậc nhiễu xạ, n là chiết suất trung bình của hệ màng mỏng, λ là bước sĩng của ánh sáng, d là khoảng cách giữa các vân và θ là gĩc hợp giữa hướng truyền của ánh sáng tới và mặt phẳng nhiễu xạ. Bất kì tác nhân lí, hĩa hay sinh học nào làm thay đổi d, n hay tổng số vân chứa trong lớp chiều dày màng sẽ làm phát sinh những biến đổi quan sát được ở bước sĩng (màu sắc) hay cường độ (độ sáng) của ảnh giao thoa nổi phản xạ. 24 | © hiepkhachquay
28. Năm 1999, các tác giả hiện nay nhận thấy kĩ thuật ảnh giao thoa nổi Denisyuk được ghi với một xung đơn 10 ns phát ra từ một laser ngọc hồng lựu yttrium nhơm pha tạp neodymium (Nd:YAG) mang lại độ sáng tương tự dưới cùng điều kiện phơi sáng và xử lí với xung phát ra từ các chất ghi ảnh nổi cĩ sẵn trên thị trường như gelatin polymer sinh học. Phương pháp chế tạo này cho phép ảnh giao thoa nổi được ghi trong hầu như bất kì ma trận polymer nào, nhờ đĩ mang lại tồn cảnh của ảnh giao thoa nổi với tính chất quang thay đổi theo tác nhân lí, hĩa hay sinh học như mong đợi. Điều này đặt cơ sở cho một cơng ti spin-out tên gọi là Smart Holograms, thành lập năm 2004. Thơng minh hĩa Trong một ảnh giao thoa nổi thơng minh, một chất nhận bổ sung thích hợp được gắn với ma trận polymer của nhũ tương ảnh sao cho polymer chịu sự biến đổi lí hoặc hĩa khi một chất ưa thích (gọi là chất phân tích) liên kết với nĩ. Như vậy, trên nguyên tắc, bất kì tác nhân lí, hĩa hay sinh học nào tương tác với polymer thơng minh đều sẽ làm phát sinh những biến đổi quan sát được ở bước sĩng (tức là màu sắc), cường độ (độ sáng) hoặc ảnh mã hĩa của ảnh giao thoa nổi phản xạ. Thành phần hoạt tính trong một ảnh giao thoa nổi “thơng minh” như thế thường là một mạng polymer 3D gọi là hydrogel, nĩ là một chất hấp thụ nước rất tốt và cĩ thể nở ra lên tới 1000% thể tích ban đầu của nĩ. Bằng cách hợp nhất ảnh giao thoa nổi qua thể tích của hydrogel, cách tử ảnh nổi cĩ thể được tạo ra tương ứng với, ví dụ, độ Nm, nước, dung mơi, chất khí hịa tan, ion, chất chuyển hĩa, thuốc, kháng sinh, đường hoặc enzyme. Trong đa số trường hợp, liên kết của chất phân tích mục tiêu với chất nhận trong hydrogel làm phát sinh hoặc sự biến đổi tình trạng tích điện, “liên kết chéo” đồng hĩa trị hay khơng đồng hĩa trị giữa các chuỗi polymer lân cận, hoặc sự biến đổi các tương tác thứ cấp gồm liên kết hydrogen hay tính kị nước. Điều này cĩ nghĩa là những nhiễu loạn tương đối nhỏ trong điều kiện mơi trường cĩ thể gây ra những thay đổi vĩ mơ với thể tích của hydrogel bởi nĩ hấp thụ những lượng nước khác nhau. Cấu trúc của các vân giao thoa do đĩ mang đến cho ảnh giao thoa nổi một vật chỉ thị cài đặt sẵn thuộc phạm vi mà hydrogel dãn nở, nhờ đĩ những thay đổi ở bước sĩng hay cường độ của ánh sáng nhiễu xạ, chẳng hạn, cĩ thể dễ dàng định lượng bằng mắt. (Những loại ảnh giao thoa nổi phổ biến khác, như loại tìm thấy trên thẻ tín dụng, khơng hành xử giống như thế này vì cấu trúc vân của chúng vuơng gĩc với mặt phẳng bề mặt chất nền, khiến cho chúng nhạy với những thay đổi chiều dày của màng polymer chống đỡ) Hơn nữa, vì cấu trúc vân của ảnh giao thoa nổi thơng minh khơng biến đổi vĩnh viễn, nên hydrogel cĩ thể chịu nhiều chu kì nở ra và co lại trước khi quay trở lại cực đại bước sĩng và độ phản xạ như cũ. Kết hợp với thời gian phản ứng nhanh của chúng, ảnh giao thoa nổi thơng minh mang lại tiềm năng to lớn cho việc theo dõi các biến đổi ở độ tập trung chất phân tích trong thời gian thực. Một trong những ứng dụng đơn giản nhất của các bộ cảm biến ảnh nổi là đo trực tiếp hoạt động nước trong chất lỏng khơng trộn lẫn. Ngâm ảnh giao thoa nổi gốc gelatin vào dung mơi “Nm” làm cho nước từ khối dung dịch đi vào pha ảnh nổi. Sự nở ra thu được và sự tăng sau đĩ (tức là sự lệch) bước sĩng nhiễu xạ tỉ lệ thuận với nồng độ nước của mẫu. Do đĩ, các bộ cảm biến ảnh nổi 25 Tuyển Physics World 2008 | © hiepkhachquay
29. làm phát sinh sự biến đổi màu sắc thị giác, mang lại số đọc bán định lượng mà khơng cần thêm thiết bị đo đạc nào khác. Như thế, chúng cĩ thể hoạt động như bộ cảm biến cơng suất tự do của hoạt động nước trong cơng nghiệp hĩa dầu, thực phNm, dệt, điện tử và dược phNm, nơi sự nhiễm nước cĩ thể gây thiệt hại vật chất hay tài chính. Kĩ thu ật ảnh giao thoa n ổi ứng d ụng Sản phNm đầu tiên của Smart Holograms – một bộ cảm biến nhạy độ Nm gọi là H2No – đã được phát triển trong sự hợp tác với nhà cung cấp nhiên liệu tồn cầu Air BP. Chừng 80 tỉ lít nhiên liệu máy bay đã được sử dụng chỉ ở riêng nước Mĩ năm 2006 và 42 triệu phép kiểm tra đã được tiến hành đối với sự nhiễm nước, thường trong những điều kiện thời tiết cực độ. Sự nhiễm nước cĩ thể làm cho nhiên liệu đơng đặc ở độ cao lớn, cĩ thể khĩa các bộ lọc với những hậu quả tai hại tiềm tàng. Nĩ thường được nhận ra bằng cách tiến hành một phép thử “rõ ràng và trong sáng” cĩ phần chủ quan, trong đĩ biểu hiện thị giác lờ mờ xác nhận sự nhiễm nước vượt quá giới hạn cĩ thể chấp nhận là 30 phần triệu (ppm). Mặt khác, dụng cụ của Smart Holograms – một ống tiêm cầm tay chứa một bộ cảm biến ảnh nổi đường kính chừng 1 cm – làm phát sinh tức thời một chữ thập đỏ dễ dàng nhận thấy nếu như nồng độ nước của nhiên liệu nằm trên giới hạn này. Cơng ti trên cũng đang làm việc với các cơng ti đánh bĩng kiến trúc để phát triển một bộ cảm biến độ Nm cĩ thể phát hiện xem nước cĩ lọt vào giữa những tấm kính hay khơng do mối hàn khiếm khuyết hay bị hỏng. Chừng 370 triệu đơn vị lắp ghép đơi được sản suất trên khắp thế giới mỗi năm, và những khiếm khuyết như thế cĩ thể gây ra tiêu hao tài chính đáng kể đồng thời làm giảm hiệu suất năng lượng của cơng trình. Ngồi ra, chúng ta biết trước rằng polymer thơng minh cĩ thể sơn, tráng hay phun những lớp mỏng micron lên trên, hoặc sáp nhập vào, một vùng bề mặt hay chất liệu khác dùng trong cơng nghiệp xây dựng. Điều này sẽ mang lại cho các nét kiến thức những đặc trưng quang học lí thú nhất định, ví dụ như cĩ khả năng làm thay đổi màu sắc hay độ sáng, hay hiển thị tin nhắn hỗn hợp hay hình ảnh với những tác nhân nhất định. Ngồi giá trị thNm mĩ thuần túy, điều này cĩ thể giúp làm cho cơng trình an tồn hơn bởi cho phép các chất khí độc hay những hợp chất hữu cơ dễ bay hơi được theo dõi, hay làm cho tiện nghi hơn bởi cảm nhận các thay đổi nhiệt độ, độ Nm và sự phơi sáng tử ngoại. Khả năng phát hiện sự cĩ mặt của các ion, chất chuyển hĩa và hoạt động enzym cũng khiến cho các bộ cảm biến ảnh giao thoa nổi lí tưởng cho chNn đốn y khoa – nhất là cho việc theo dõi các chất đánh dấu theo dõi bệnh bên trong máu. Để tạo ra ảnh giao thoa nổi nhạy pH, chẳng hạn, các cách tử ghi bên trong hydrogel chứa các monomer cơ bản hoặc cĩ tính axit: sự ion hĩa các nhĩm chức của monomer làm cho cách tử dãn ra hay co lại là kết quả của lực tĩnh điện và thấm lọc điều khiển hay trục xuất các ion ngược lại và nước vào hoặc ra khỏi pha hydrogel. Chuyển động này làm thay đổi khoảng cách vân của ảnh giao thoa nổi và gây ra bước sĩng dài hơn hoặc ngắn hơn được chọn cho phản xạ. Kết quả là bước sĩng nhiễu xạ của bộ cảm biến ảnh giao thoa nổi phụ thuộc vào pH của mơi trường chính. 26 | © hiepkhachquay
30. Vịng trịn màu xanh trên bộ cảm biến H2No của Smart Holograms biến đổi sang chữ thập màu đỏ nếu như sự nhiễm nước trong nhiên liệu máy bay ở trên mức 30 ppm. Các nhà nghiên cứu tại Cambridge mới đây đã phát triển kĩ thuật ảnh giao thoa nổi cảm biến cho ion kali và natri, với mục tiêu chNn đốn trục trặc thận và thượng thận, bệnh tiêu chảy và cao huyết áp và cịn theo dõi bệnh nhân thNm tách thận, liệu pháp lợi niệu hay chữa trị tiểu gắt. Đối với mục tiêu sau ở trên, polymer hydrogel được cải tạo với những chất nhận nhất định gọi là ether crown, hình thành nên những phức hợp thuận nghịch mạnh mẽ với các ion kim loại này trong dung dịch. Trong trường hợp của một chất nhận nhất định, 18-crown-6, bước sĩng của kxi thuật ảnh giao thoa nổi được tìm thấy tỉ lệ thuận với độ tập trung ion kali. Ngồi ra, bộ cảm biến hầu như khơng bị ảnh hưởng bởi các biến thiên sinh lí bình thường ở mức độ natri nền, nhờ đĩ làm nổi bật tiềm năng của nĩ cho cơng dụng làm bộ cảm biến đo kali trong máu. Nghiên cứu 27 Tuyển Physics World 2008 | © hiepkhachquay
31. thêm cho thấy kĩ thuật ảnh giao thoa nổi cĩ thể dùng để phát hiện các ion sinh lí khác, như calcium (Ca 2+ ) và magnesium (Mg 2+ ). Hiện nay, Smart Holograms đang phát triển một máy theo dõi glucose máu nhằm hỗ trợ bệnh nhân đái tháo đường theo dõi nồng độ glucose của họ. Bệnh đái tháo đường hiện nay hành hạ chừng 6% dân số thế giới và số ca sẽ tăng lên gấp đơi vào năm 2025. Đa số bệnh nhân hiện nay đo nồng độ glucose trong máu của họ bằng một dụng cụ cơ điện enzym dùng một lần rồi bỏ, nhưng kĩ thuật ảnh giao thoa nổi ba chiều chế tạo từ màng hydrogel chứa một ma trận polymer được cải tạo với một chất nhận glucose nhất định (phenylboronic acid) mang lại một chọn lựa rẻ hơn cĩ thể cịn theo dõi nồng độ glucose một cách liên tục. Những nghiên cứu ban đầu do các nhà nghiên cứu Cambridge thực hiện cho thấy bước sĩng của kĩ thuật ảnh giao thoa nổi cảm biến là hàm của độ tập trung glucose qua vùng glucose sinh li bình thường. Smart Holograms hiện đang ước lượng hiệu quả của các kĩ thuật ảnh giao thoa nổi cảm biến này trong mơi trường sinh học phức tạp, với mục tiêu tạo ra một dụng cụ sẽ cho phép bệnh nhân tự họ kiểm tra nồng độ glucose trong máu của họ. Một bộ cảm biến như thế sẽ được hợp nhất vào một ống thơng đường tiểu gắn trong thích hợp với một bộ cảm biến sợi quang để phát hiện sản lượng, chẳng hạn, hoặc vào một kính tiếp xúc cĩ thể theo dõi liên tục nồng độ glucose trong dịch lệ của mắt. Những phương pháp như thế khơng địi hỏi điều chỉnh thường xuyên và phép chNn đốn là liên tục, chính xác và phản ứng trong thời gian thực. Kĩ thuật ảnh giao thoa nổi thơng minh ghi lại trong các polymer thiết kế chuyên dụng để thay đổi theo tác nhân lí, hĩa hay sinh học nhờ hợp nhất với các nhĩm chức hay nhĩm phản ứng. Như vậy, chính kĩ thuật ảnh giao thoa nổi vừa mang lại ma trận polymer phản ứng với một kích thích hay chất nhất định mà người ta muốn đo, vừa là phương tiện để hình dung ra phản ứng đĩ. Ví dụ, ảnh giao thoa nổi thơng minh màu xanh lá cây phun ethanol mơ tả phép kiểm tra nồng độ cồn thở lên ống thở màu xanh dương khi polymer co lại. Các khung hình chụp với khoảng thời gian 20 ms. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng những bộ cảm biến ảnh giao thoa nổi tương tự để theo dõi sự tan ra của glucose trong sự tăng trưởng của sinh vật tự tạo bào tử Bacillus subtilis - một họ 28 | © hiepkhachquay
32. hàng gần gũi của Bacillus anthracis , tác nhân gây bệnh than và vì thế là một vũ khí sinh học tiềm tàng. Trong trường hợp này, kĩ thuật ảnh giao thoa nổi mang lại sự thuận lợi đáng kể so với các bộ cảm biến gốc enzyme truyền thống sử dụng phản ứng sinh hĩa trực tiếp vì chúng khơng tiêu thụ glucose và vì thế khơng làm giảm nồng độ chất trong mẫu vật thể tích nhỏ, thứ cĩ thể mang lại kết quả khơng chính xác. Chúng ta hiện đang ước định tiềm năng của một bộ cảm biến như một hệ nhận dạng bệnh than dùng cho dịch vụ cấp cứu sau một sự cố khủng bố. Thơng minh và an tồn Trong bài báo này chỉ cĩ thể tĩm lược một số trong những ứng dụng được phát triển nhất của các bộ cảm biến ảnh giao thoa nổi, nhưng tiềm năng của kĩ thuật ảnh giao thoa nổi thơng minh thật to lớn. Ví dụ, kĩ thuật ảnh giao thoa nổi thơng minh cĩ thể cho phép các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm những loại thuốc mới kiểm tra nhanh chĩng nhanh chĩng một số lượng lớn các phân tử tiềm năng. Kĩ thuật đĩ cịn cĩ thể giúp trong sự phát triển quy trình. Kĩ thuật ảnh giao thoa nổi cảm biến được dùng để theo dõi sản phNm chuyển hĩa của những sự lên men vi khuNn nhỏ (cỡ 30 nl ), ví dụ, bằng cách theo dõi sự thối rữa của sữa bởi Lactobacillus casei qua sự thay đổi pH phát sinh trong quy trình lên men. Thật vậy, những bộ cảm biến như thế cĩ thể dùng để cảnh báo người tiêu dùng khi sữa thật sự bị hỏng mà khơng dựa trên tem in ngày sử dụng và vì thế cĩ thể trở thành một tiêu chuNn chất lượng trong siêu thị. Hơn nữa, thực tế thì hình ảnh trực quan tạo ra bởi kĩ thuật ảnh giao thoa nổi thơng minh cĩ thể làm cho xuất hiện hay biến mất dưới tác nhân hĩa hay sinh thích hợp và vì thế được sử dụng để hiển thị sự thể hiện trực quan của phép cơ phân tích – khiến cho chúng lí tưởng cho sử dụng trong máy phân tích nồng độ cồn hơi thở, theo dõi trạng thái tim và cho nhiều hệ thống bảo mật và đĩng gĩi “thơng minh” đa dạng. Smart Holograms vừa tung ra một loạt sản phNm bảo vệ nhãn mác dựa trên những hình ảnh độ nét cao đa thành phần cực kì khĩ sao chép. Cơng ti này cịn phát triển “kĩ thuật ảnh giao thoa nổi kiểu hạt” mới dùng cho mỹ phNm, nước sơn, mực in và lớp tráng ngồi cho đồ chơi, và theo dõi các chất khí mơi trường độc hại, nơi yêu cầu các bộ cảm biến chiếm dụng diện tích lớn. Kĩ thuật ảnh giao thoa nổi cảm biến hầu như khơng thể đảo ngược thiết kế hay sao chép, là “linh hoạt định dạng” phù hợp với nhu cầu cá nhân, khơng yêu cầu nguồn cấp điện, cĩ thể phĩng to thu nhỏ đến bất kì kích thước nào, cĩ thể đọc song song, và được chế tạo bằng một quy trình sản suất sẵn sàng tích hợp vào các chuỗi cung cấp hiện cĩ. Như vậy, trong thế kỉ 21, khơng giống như thế kỉ 24, chúng ta khơng phải thêm mắm dặm muối cốt truyện với những đặc điểm Star Trek màu mè để đưa ra những ứng dụng mới đối với cơng nghệ ảnh giao thoa nổi. Cơng nghệ đĩ giờ đã sẵn sàng. Từ tr ưng bày đến th ị tr ường: ngu ồn g ốc c ủa Smart Holograms Cơng nghệ mà Smart Holograms đang phát triển sản phNm của nĩ phát sinh vào cuối thập niên 1990 trong nhĩm nghiên cứu của một trong hai tác giả hiện nay (CL) tại Viện Cơng nghệ Sinh học tại Đại học Cambridge ở Anh. Cùng với nhà vật lí Roger Millington, CL hình thành nên ý tưởng khi đang nghiên cứu các phương pháp mới khơng đắt tiền cho các bộ cảm biến quang 29 Tuyển Physics World 2008 | © hiepkhachquay
33. sinh học, và khái niệm được trau chuốt thêm bởi một nghiên cứu sinh tiến sĩ khi đĩ là Jan Groves, nhà kĩ thuật ảnh giao thoa nổi Jeff Blyth và nhà hĩa sinh Andrew Mayes. Cơng trình ban đầu này đã thiết lập đa số các khái niệm cơ sở then chốt của kĩ thuật ảnh giao thoa nổi phản ứng nhanh (được ghi nhận với bốn bằng phát minh), đồng thời sự ủng hộ 25.000 bảng từ trường đại học đã tài trợ một nghiên cứu ban đầu để ước định tính khả thi của việc thành lập một cơng ti mới. Smart Holograms thành lập năm 2004 trên cơ sở của các ứng dụng phát minh được chấp nhận và đệ trình với sự tài trợ từ Quỹ thách thức trường đại học Cambridge (250.000 bảng), tổ chức Sáng kiến nghiên cứu kinh doanh nhỏ điều hành bởi Ủy hội nghiên cứu sinh học và cơng nghệ sinh học (216.000 bảng) và quỹ tư bản mạo hiểm (5 triệu bảng). Ngày nay, cơng ti đĩ sử dụng trên 40 nhân viên ở Cambridge, bảo vệ tài sản trí tuệ của nĩ với chừng 40 bằng phát minh được chấp nhận/đang đệ trình, và bảy thương hiệu đã đệ trình, và đã kí hợp tác phát triển với các nhà dẫn đầu nền cơng nghiệp chip xanh. Cơng nghệ cốt lõi của nĩ là kĩ thuật ảnh giao thoa nổi “thơng minh” thay đổi phản ứng với tác nhân bên ngồi, cĩ ứng dụng trong cơng nghiệp bảo vệ nhãn mác, xác nhận và chăm sĩc sức khỏe. Thế hệ sản phNm đầu tiên của Smart Holograms (H2No) được thiết kế để phát hiện độ Nm trong nhiên liệu máy bay. Nghiên cứu ban đầu tại Viện Cơng nghệ Sinh học Cambridge cho thấy dầu lửa bị nhiễm bNn nước với nồng độ 100 phần triệu (ppm) cĩ thể làm thay đổi màu sắc ảnh giao thoa nổi gelatin từ xanh lá cây sang đỏ bởi sự phân chia nước thành pha giao thoa nổi và vì thế làm dãn mặt phẳng nhiễu xạ Bragg và làm lệch đỏ bước sĩng chiếu lại. 30 | © hiepkhachquay
34. Năm 2005, Smart Holograms thiết lập một chương trình nghiên cứu phát triển với sự ủng hộ của cơng ti nhiên liệu Air BP nhằm tạo ra phép thử mẫu điểm cho sự nhiễm nước trong nhiên liệu máy bay. H2No là bộ cảm biến ảnh giao thoa nổi dùng một lần phát ra dấu “x” màu đỏ trên nền màu xanh lá cây khi nồng độ nước tự do trên 30 ppm. Hệ thống đĩ được bảo vệ quyền phát minh, được đăng kí thương hiệu và đã trải qua thử nghiệm rộng rãi trong phịng thí nghiệm và trong ngành tại một vài địa điểm của Air BP. Nhân tố chủ chốt đưa phép kiểm nghiệm ra thị trường là thiết lập năng lực sản suất tại tổ hợp Cambridge của Smart Holograms cĩ thể tạo ra 42 triệu hay ngần ấy đơn vị thử yêu cầu hàng năm. Kĩ thu ật ảnh giao thoa n ổi thơng minh Kĩ thuật ảnh giao thoa nổi, kĩ thuật ghi lại mẫu giao thoa quang học, được sử dụng rộng rãi làm khĩa xác nhận và lưu trữ dữ liệu. Đa số ảnh giao thoa nổi cố định trong một chất nhạy quang, nhưng mới đây các nhà nghiên cứu đã tạo ra được ảnh giao thoa nổi “thơng minh” bằng cách tạo ra chúng trong những chất như hydrogel nhạy với các điều kiện mơi trường. Vì hydrogel cĩ thể dãn ra hay co lại phản ứng với các tác nhân lí, hĩa hay sinh nhất định, nên kĩ thuật ảnh giao thoa thơng minh cĩ thể được sử dụng làm bộ cảm biến chNn đốn và thường cĩ cơng suất trực quan rõ ràng. Smart Holograms – một cơng ti spin-out từ trường đại học Cambridge năm 2004 – vừa tung ra sản phNm đầu tiên của nĩ: bộ cảm biến cĩ khả năng phát hiện nước trong nhiên liệu máy bay. Một trong những thị trường tiềm năng lớn nhất cho kĩ thuật ảnh giao thoa nổi cảm biến là lĩnh vực chNn đốn y khoa, ví dụ như mang lại cho bệnh nhân đái tháo đường một máy theo dõi nồng độ glucose trong máu đơn giản và đáng tin cậy. Tài li ệu tham kh ảo J Blyth et al. 1999 A diffusion method for making silver bromide based holographic recording material Imaging Sci. J. 47 87–91 C R Lowe 1999 Chemoselective biosensors Curr. Opin. Chem. Biol. 3 106–111 C R Lowe 2007 Holographic sensors Handbook of Biosensors and Biochips (ed) R S Marks et al. (Wiley, Chichester) pp587–596 G Saxby 1994 Practical Holography (Prentice Hall, Englewood Cliffs) Smart Holograms Ltd: Chris Lowe (Giám đốc Viện Cơng nghệ Sinh học, Đại học Cambridge, Anh) Cynthia Larbey (giám đốc điều hành của Smart Holograms Ltd., Cambridge, Anh) Nguồn: Holography gets smart (Physics World, tháng 2/2008 ) hiepkhachquay dịch An Minh, ngày 10/03/2008, 22:35:06 31 Tuyển Physics World 2008 | © hiepkhachquay
35. Cơng ngh ệ phonon đang nĩng d ần Lei Wang, Baowen Li Các nhà nghiên cứu vừa thành cơng trong việc chế tạo các diode nắn nhiệt, đặt nền tảng cho transistor và mạch logic nhiệt. Lei Wang và Baowen Li mơ tả lĩnh vực đang xuất hiện thuộc “cơng nghệ phonon”. Khi nĩ xuất hiện để chuyển hĩa năng lượng, tự nhiên cĩ hai cơng cụ thiết yếu tùy ý sử dụng: đĩ là sự dẫn bằng nhiệt và bằng điện. Nhưng hai hiện tượng này khơng bao giờ được các nhà khoa học đối xử như nhau. Điện, qua transistor và các linh kiện điện tử khác, cho phép các phát triển cơng nghệ làm biến đổi nhiều mặt của đời sống chúng ta. Nhưng các dụng cụ tương tự cho phép dịng nhiệt được điều khiển vẫn khơng cĩ sẵn, bất chấp đã qua nhiều thập kỉ nghiên cứu. Vấn đề là ở chỗ việc điều khiển dịng nhiệt trong chất rắn khĩ hơn nhiều so với điều khiển dịng electron. Khơng giống như electron, các hạt mang nhiệt (phonon) khơng phải là các hạt 32 | © hiepkhachquay
36. điểm cĩ tính chất xác định mà là một bĩ năng lượng khơng cĩ khối lượng hay điện tích và do đĩ khơng bị tác động bởi trường điện từ. Tuy nhiên, tự nhiên đã và đang điều khiển dịng nhiệt trong hàng tỉ năm trời, nhất là bên trong những cơ thể sống – bạn chỉ cần xem xét cách thức cơ thể bị chi phối để giữ từng cơ quan nội tạng ở đúng nhiệt độ là thấy được tại sao. Vì thế, người ta phải cĩ thể, cho dù nĩ yêu cầu một cơ chế vật lí hồn tồn khác, điều khiển được nhiệt về mặt cơng nghệ. Tuy vậy, chúng ta cĩ thể nĩi qua đơi chút để chuyển “cơng nghệ phonon” từ giấc mơ thành hiện thực. Cụ thể là các nhà nghiên cứu mới đây đã chế tạo được diode nhiệt, transistor nhiệt và cổng lơgic nhiệt, chúng là những thành phần cơ bản của dụng cụ nhiệt thiết thực. Những bộ phận như thế cịn làm phát sinh khả năng rằng nhiệt – lâu nay bị xem là vơ dụng hoặc cĩ hại trong các mạch điện tử - cĩ thể dùng để xử lí thơng tin. Vì thế, cơng nghệ phonon sẽ thêm một xu hướng vật lí mới cho việc xử lí thơng tin, ngồi điện tử học và lượng tử học. Dịng nhi ệt m ột chi ều Bộ phận cơng nghệ phonon cơ bản nhất là diode nhiệt – một dụng cụ cĩ thể dẫn nhiệt chỉ theo một chiều. Hiệu ứng nhiệt định hướng như thế lần đầu tiên được quan sát thấy trong tiếp giáp đồng-đồng ơxit bởi nhà vật lí Chauncey Starr tại Viện Bách khoa Rensselaer ở New York trong thập niên 1930. Trong ba thập kỉ sau đĩ, các nhà nghiên cứu đã tiến hành các nghiên cứu mở rộng về dịng nhiệt dẫn qua những tiếp giáp chất như thế, thường chú ý tới thép và nhơm. Nhưng khơng hề cĩ nền tảng lí thuyết chặt chẽ như động lực học phi tuyến, hay cơng suất máy tính hiệu quả để mơ phỏng quá trình đĩ, nên các diode nhiệt ban đầu này vẫn chẳng gì hơn là mĩn đồ chơi lí thú. Tình trạng đĩ đã thay đổi ngoạn mục trong vài năm vừa qua. Năm 2002, Marcello Terraneo tại Universitá degli Studi dell’Insubria ở Como, Italy, và các cộng sự đã đề xuất một mẫu đơn giản của diode nhiệt dựa trên sự cộng hưởng ( Phys. Rev. Lett. 88 094302 ). Tồn bộ hệ thống vật lí cĩ một tần số tự nhiên, nghĩa là năng lượng cĩ thể chuyển hĩa rất hiệu quả bằng cách kích thích hệ với các dao động ở tần số đĩ. Đây là cái khiến cho cĩ thể đNy một đứa trẻ lên cao trên một cái xích đu chỉ với một nỗ lực nhỏ. Vì năng lượng nhiệt tương ứng với dao động của các nguyên tử hay phân tử, nên nguyên lí tương tự áp dụng được cho các chất: nhiệt dễ dàng trao đổi giữa hai chất nếu tần số cộng hưởng của chúng tương thích với nhau; nếu chúng khơng phù hợp thì sự truyền nhiệt trở nên khĩ hơn nhiều. Terraneo xem xét điều xảy ra khi một chất phi tuyến với một tần số cộng hưởng phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ bị kẹp giữa hai đoạn gần như tuyến tính, tần số của chúng khĩ mà biến thiên theo nhiệt độ. Ơng nhận thấy tần số của các chất tương thích với nhau khi độ giảm nhiệt (tương tự như độ giảm thế trong một mạch điện) được đưa vào theo một hướng và khơng phù hợp lẫn nhau khi độ giảm nhiệt độ được đưa vào theo hướng khác. Kết quả chung là nhiệt cĩ thể dễ dàng chảy theo một hướng qua lớp sandwich chứ khơng chảy theo hướng kia. 33 Tuyển Physics World 2008 | © hiepkhachquay
37. Bằng cách ghép hai chất hay hai “đoạn” cĩ tần số cộng hưởng khác nhau lại với nhau, một dịng nhiệt cĩ thể bị dừng lại hoặc cho đi qua mặt phân cách tùy thuộc vào nhiệt độ của các đoạn (hình trên). Trong mơ hình này, một đoạn (màu xanh) là một chuỗi hạt trong đĩ từng hạt kết nối với lân cận gần nhất của nĩ bằng các lị xo đàn hồi thỏa mãn định luật Hooke, cịn đoạn kia (màu đỏ) là một chuỗi giống hệt nhưng chịu một thế hình sin (màu xanh lá cây). Nếu nhiệt độ ở đoạn đỏ nhỏ hơn nhiệt độ ở đoạn xanh (hình dưới bên trái), thì tần số cộng hưởng của đoạn xanh luơn luơn tập trung vào những tần số thấp, cịn tần số cộng hưởng của đoạn đỏ tập trung ở những tần số cao (vì các hạt bị giam giữ trong những chỗ lõm). Kết quả là tần số dao động của từng đoạn khơng tương thích nhau và nhiệt (là kết quả của các dao động của các hạt) khơng thể chảy hiệu quả lắm. Tuy nhiên, khi nhiệt độ ở đoạn đỏ lớn hơn nhiệt độ ở đoạn xanh (hình dưới bên phải), thì các hạt cĩ thể chuyển động tự do giữa các hàng rào và vì thế tần số dao động của chúng mở rộng một phần sang những tần số thấp, chúng phù hợp với tần số của các hạt trong đoạn bên phải. Cơ chế tương thích/khơng tương thích này gây ra sự dẫn nhiệt định hướng, và cịn cĩ thể gây ra nhiệt trở vi phân âm (NDTR). NDTR cần thiết cho việc chế tạo bộ ngắt nhiệt và transistor nhiệt. Năm 2004, các tác giả hiện nay đã cải tiến mơ hình này, sử dụng các đoạn cấu thành từ một chuỗi hạt chịu một thế hình sin, nĩ cĩ tần số cộng hưởng phụ thuộc nhạy hơn nhiều vào nhiệt độ so với trong mơ hình của Terraneo. Chúng tơi cịn giảm số đoạn từ ba xuống hai, nhờ đĩ hình thành một lớp tiếp giáp thơi. Nĩi chung, việc này làm tăng hiệu ứng chỉnh lưu (tức là tỉ số dịng nhiệt theo các hướng khác nhau) lên ba bậc độ lớn (Phys. Rev. Lett. 93 184301 ). Được truyền cảm hứng bởi thành tựu lí thuyết này, năm 2006, Chih-Wei Chang và các cộng sự tại Đại học California ở Berkeley đã chế tạo bộ chỉnh lưu nhiệt chất rắn đầu tiên ( Science 314 1121 ). Các nhà nghiên cứu gắn một bộ nhiệt và một bộ cảm biến vào hai đầu của một ống nano, cho phép họ tính được độ dẫn nhiệt của nĩ. Sau đĩ, họ cho lắng các hạt nặng, gốc platinum 34 | © hiepkhachquay
38. khơng đồng đều theo nửa chiều dài của ống nano sao cho sự phụ thuộc nhiệt độ của tần số cộng hưởng biến thiên dọc theo ống. Sự tương thích/ khơng tương thích này của tần số cĩ nghĩa là độ dẫn theo một hướng lớn hơn 3 – 7% so với theo hướng kia. Sự chỉnh lưu mà Chang quan sát thấy nhỏ hơn giá trị tối đa đã tiên đốn. Đây chủ yếu là vì hệ Berkeley (chiều dài một vài micron) lớn hơn nhiều so với hệ đã lập mơ phỏng, nghĩa là vai trị của lớp tiếp giáp bị triệt tiêu. Tuy nhiên, nghiên cứu đĩ là một bước tiến lớn về phía trước. Chúng ta cần nhớ rằng diode và transistor điện đầu tiên hồi những năm 1940 cũng kém hiệu quả hơn nhiều so với các sản phNm cĩ mặt trên thị trường ngày nay. Nối với hai điện cực, sợi mảnh ở giữa là một ống nano cacbon ở trung tâm của “bộ chỉnh lưu nhiệt” chất rắn vi mơ đầu tiên từ trước đến nay. Thật vậy, chỉ vài tháng sau đĩ, Ralf Scheibner tại Đại học Würzburg ở Đức và các cộng sự đã báo cáo một sự chỉnh lưu 11% sử dụng một chấm lượng tử - một dụng cụ bán dẫn cấp độ nano trong đĩ hàm sĩng electron bị khu biệt hĩa. Ở đây, dịng chảy bất đối xứng khơng phát sinh từ sự khơng phù hợp của tần số cộng hưởng ở mặt tiếp giáp mà từ sự khác biệt vật lí ở mối liên kết giữa chấm lượng tử và hai dây nối: sự truyền tải thuận lợi qua các trạng thái cĩ xung lượng quỹ đạo khác khơng, vì thế mang lại sự chỉnh lưu nhiệt lớn ( arXiv:cond-mat/0703514 ). Một ứng dụng dễ thấy của diode nhiệt là tiết kiệm năng lượng. Ví dụ, ở một nước nhiệt đới như Singapore, nhiệt độ ngồi trời thường cao hơn nhiều nhiệt độ trong nhà, nên người ta thường muốn ngăn cản nhiệt chảy từ ngồi trời vào trong nhà để giữ cho bên trong mát mẻ. Tuy nhiên, vào ban đêm, nhiệt độ ngồi trời cĩ thể thấp hơn nhiệt độ trong nhà, nên người ta muốn cho phép nhiệt chảy từ trong nhà ra ngồi trời. Hiện nay, điều hịa khơng khí được sử dụng để duy trì nhiệt độ trong nhà dễ chịu. Nhưng nếu tường hoặc cửa sổ của căn nhà được chế tạo từ diode 35 Tuyển Physics World 2008 | © hiepkhachquay
39. nhiệt, chúng cĩ thể tự động tăng sự dẫn nhiệt của chúng vào ban đêm và đĩng vai trị một chất cách nhiệt vào ban ngày, vì thế cĩ thể tiết kiệm rất nhiều năng lượng. Bộ ng ắt m ạch phonon tính Diode nhiệt là một bước tiến quan trọng hướng tới cơng nghệ phonon. Nhưng thách thức lớn tiếp theo là chế tạo một transistor nhiệt cĩ thể điều khiển dịng nhiệt giống như transistor điều khiển dịng điện tích. Transistor nhiệt sẽ cải thiện nhiều khả năng của chúng ta điều khiển dịng nhiệt, vì chúng cĩ thể hoặc làm bộ ngắt nhiệt, chuyển bật dịng nhiệt “on” và “off”, hoặc là một điều biến điều khiển dịng nhiệt liên tục qua một phạm vi rộng. Giống như một transistor điện tử, một transistor nhiệt gồm hai phần (nguồn và cực thu) và một phần thứ ba (cổng) qua đĩ tín hiệu vào được truyền tải (hình trên). Điều quan trọng là nhiệt trở vi phân âm (NDTR) cĩ thể cĩ giữa phần nguồn và cực thu, cho phép dịng nhiệt được khuếch đại. Tính tốn cho thấy khi nhiệt độ cổng (T G) tăng, thì cả dịng thu (J D) và dịng nguồn (J S) tăng theo gần 100 lần. Đặc biệt, dịng cổng J G = J S – JD là bằng khơng khi T G ≈ 0,03 và T G ≈ 0,14. Vì dịng nguồn quá khác biệt ở hai nhiệt độ, nên chúng ta cĩ thể chuyển transistor sang “off” bằng cách làm cho T G = 0,03 và bật nĩ sang “on” bằng cách làm cho T G = 0,14. Bằng cách làm cho nhiệt trở giữa ngõ ra (O) và cổng rất nhỏ, thì nhiệt độ ngõ ra (T O) luơn gần bằng T G. Chức năng chuyển mạch này cĩ nghĩa là transistor nhiệt cịn cĩ thể sử dụng để thực hiện các tốn tử lơgic nhiệt như NOT, AND và OR. 36 | © hiepkhachquay
40. Giống như người anh em điện tử của nĩ, transistor nhiệt cĩ ba cực: cực thu, cực nguồn, và cực cổng. Khi nhiệt độ ở cực thu và cực nguồn là cố định, thì dịng nhiệt truyền từ cực này tới cực kia được điều khiển bởi nhiệt độ tại cực cổng. Điều quan trọng là nếu transistor khuếch đại tín hiệu, thì sự thay đổi dịng nhiệt qua cổng cần cảm ứng một sự thay đổi cịn lớn hơn từ cực thu đến nguồn sao cho transistor cĩ thể khuếch đại tín hiệu đĩ. Nhưng làm thế nào chúng ta đảm bảo rằng điều kiện này được thỏa mãn ? Người ta đã biết rằng sự giảm nhiệt độ dẫn đến các dịng nhiệt. Khi lửa gặp nước, chẳng hạn, nhiệt chảy từ nơi nhiệt độ cao sang nơi nhiệt độ thấp và làm nĩng nước. Nĩi chung, sự giảm nhiệt độ càng lớn, thì dịng nhiệt càng lớn, cái gọi là nhiệt trở vi phân âm. Tuy nhiên, chúng ta thấy một transistor chỉ cĩ thể khuếch đại một dịng nhiệt nếu như nĩ cĩ nhiệt trở vi phân âm (NDTR), nghĩa là một sự giảm nhiệt độ lớn đưa đến một dịng nhiệt nhỏ và sự giảm nhiệt độ nhỏ dẫn đến dịng nhiệt lớn. NDTR trơng cĩ vẻ như phản trực giác, nhưng người hồn tồn cĩ thể vì nhiệt thật sự vẫn chảy từ nĩng sang lạnh. (Nhiệt trở âm, nhờ đĩ nhiệt chảy từ nơi lạnh sang nĩng, tất nhiên bị cấm bởi định luật thứ hai của nhiệt động lực học) Năm 2006, chúng tơi đã chứng minh NDTR trong một hệ dựa trên cùng hiện tượng cộng hưởng làm cho diode nhiệt thành cĩ thể, nhờ đĩ đã hiện thực hĩa transistor nhiệt đầu tiên của thế giới ( Appl. Phys. Lett . 88 143501 ). Bộ phận chủ yếu của dụng cụ gồm một chất cấu thành từ hai đoạn cĩ tần số cộng hưởng khác nhau, tương tự như cấu tạo của diode nhiệt. Thật ra, chúng tơi đã phát hiện một hiệu ứng NDTR yếu khi chúng tơi chế tạo diode nhiệt, cho nên tất cả những gì chúng tơi phải làm để chế tạo transistor là điều chỉnh các thơng số sao cho hiệu ứng xảy ra lớn hơn. Kết quả này mở ra cánh cửa mới cho việc chế tạo các cổng lơgic. Lơgic nhi ệt Trong một mạch điện tử, hai trạng thái “1” và “0” được định nghĩa bằng hai điện thế chuNn, nhưng trong một mạch nhiệt, chúng được định nghĩa bằng hai nhiệt độ chuNn: T on và T off . Vì thế, bước thứ nhất hướng tới sử dụng nhiệt xử lí thơng tin là chế tạo một “bộ lặp tín hiệu”, nĩ đảm bảo rằng hễ khi nào tín hiệu vào hơi khác với nhiệt độ chuNn định trước, thì tín hiệu ra là giá trị chuNn chính xác đĩ. Điều này cĩ thể dễ dàng thu được trong một transistor nhiệt. Khi nhiệt độ của cổng, T G, gần nhưng khơng chính xác bằng với T on hoặc T off, thì hướng của dịng nhiệt trong cực cổng luơn làm cho nhiệt độ ở nút tiếp giáp giữa nguồn và cổng gần hơn với T on hoặc T off . Do đĩ, bằng cách nối các transistor nối tiếp, tức là cắm ngõ ra của transistor này với cổng của transistor tiếp theo, thì tín hiệu ra cuối cùng tăng lên tương tự như một tín hiệu số, tức là nĩ sẽ hoặc là rất gần với T on hoặc là rất gần với T off . Điều này đặt nền tảng cho các cổng lơgic cùng với nhau sẽ cho phép quá trình xử lí thơng tin nhiệt. Trong cơng trình mới nhất của chúng tơi, ban đầu chúng tơi đã lập mơ hình một cổng NOT, nĩ cho ra “1” khi nĩ nhận vào “0” và ngược lại. Do đĩ, để tạo ra một cổng NOT nhiệt, 37 Tuyển Physics World 2008 | © hiepkhachquay
41. chúng ta cần nhiệt độ ra giảm khi nhiệt độ vào tăng và ngược lại. Nhưng làm thế nào chúng ta cĩ thể làm lạnh một phần của hệ bằng cách làm nĩng phần kia ? Câu trả lời là đưa tín hiệu vào từ cực nguồn, và thu lấy tín hiệu ra từ cực thu, giữa chúng NDTR là cĩ thể: nhiệt độ cao hơn ở cực nguồn gây ra dịng nhiệt lớn hơn ở cực thu và vì thế làm tăng độ giảm nhiệt độ. Hiện tượng tạo ra một phản ứng âm, và do đĩ hệ đĩng vai trị là một cổng NOT nhiệt. Tiếp theo, chúng tơi chuyển sự chú ý của mình sang cổng AND và OR, cả hai đều cĩ hai ngõ vào và một ngõ ra. Các cổng như thế dễ dàng chế tạo bằng cách cắm hai ngõ vào vào cùng một bộ lặp tín hiệu nhiệt: khi cả hai ngõ vào là “1”, thì ngõ ra cũng là “1”; và khi cả hai ngõ vào là “0”, thì ngõ ra cũng là “0”. Bằng cách đơn giản thay đổi một số thơng số của các bộ lặp, chúng ta cịn cĩ thể tạo ra tín hiệu cuối cùng hoặc “0” hoặc “1” khi hai tín hiệu vào khác nhau, vì thế hiện thực hĩa hoặc cổng AND hoặc cổng OR ( Phys. Rev. Lett. 99 177208 ). Biết thực tế là diode nhiệt được hiện thực hĩa bằng thực nghiệm ngay hai hay ba năm sau các mơ hình lí thuyết, các nguyên mẫu transistor nhiệt và cổng lơgic nhiệt – cĩ lẽ cả máy tính nhiệt – sẽ cĩ mặt trong tương lai gần. Trong khi chờ đợi, cơng nghệ phonon cĩ thể mang lại cơng nghệ cần thiết cho việc tiết kiệm năng lượng. Tất nhiên, vẫn cĩ nhiều vấn đề kĩ thuật phải vượt qua. Đặc biệt, các phonon truyền ở tốc độ chi 1000 m/s hay ngần ấy – chậm hơn hàng trăm ngàn lần so với sĩng điện từ - nghĩa là chúng ta phải tìm cách tối đa hĩa tốc độ hoạt động của các linh kiện nhiệt nếu các mạng nhiệt phức tạp cĩ ứng dụng trong thực tiễn. Những vấn đề cịn thách thức hơn nữa đang chờ đợi chúng ta trên đường hướng tới cơng nghệ phonon. Lei Wang và Baowen Li (Đại học quốc gia Singapore) Nguồn: Phononics gets hot (Physics World, tháng 3/2008 ) hiepkhachquay dịch An Minh, ngày 14/03/2008, 19:50:44 38 | © hiepkhachquay
42. Đi tìm nh ững ng ười kĩ s ư vũ tr ụ Bruce Dorminey Từ trước đến nay đã thất bại trước việc tìm bằng chứng cho những nền văn minh ngồi địa cầu bằng cách tìm kiếm sự truyền phát sĩng vơ tuyến của họ, nhưng một số nhà vật lí vẫn cho rằng thật là đáng bõ cơng việc sục sạo bầu trời tìm kiếm những dấu hiệu của cơng trình xây dựng thiên văn của họ, như Bruce Dorminey viết trong bài. “Nếu như họ ở ngồi đấy, thì họ ở đâu chứ ?” Đĩ là câu hỏi hĩc búa nổi tiếng đưa ra hơn 50 năm trước bởi nhà vật lí gốc Italia Enrico Fermi khi nhắc đến khả năng những nền văn minh thơng minh ngồi địa cầu cĩ lẽ nằm ngồi ranh giới của hệ Mặt trời của chúng ta. Đã biết tuổi rất lớn của vũ trụ và số lượng vơ số sao kiểu Mặt trời của nĩ, dường như thật hợp lí rằng Trái đất khơng phải là nơi duy nhất cĩ sự sống thơng minh tiến hĩa. Nhưng trong nửa thế kỉ qua, các nhà nghiên cứu đã tích cực tìm kiếm dấu hiệu của những nền văn minh ngồi địa cầu như thế và chẳng thu được gì trong tay. Những nền văn minh tiên tiến cĩ thể lần theo được bằng cách tìm kiếm bằng chứng rằng họ đã xây dựng “những quả cầu Dyson” để khai thác năng lượng của ngơi sao của họ. 39 Tuyển Physics World 2008 | © hiepkhachquay
43. Những cuộc săn tìm này hầu như đều cĩ liên quan đến việc tìm kiếm sĩng điện từ ở tần số vơ tuyến hay quang học cĩ thể truyền phát đi bởi những nền văn minh vũ trụ. Những cuộc khảo sát khơng gian giữa các sao kiểu như thế lần đầu tiên được thực hiện bởi nhà thiên văn người Mĩ Frank Drake tại Đài quan trắc thiên văn vơ tuyến quốc gia vào năm 1960, và kể từ đĩ tính hiệu quả của chúng cứ tăng lên theo hàm số mũ. Thật vậy, lễ khánh thành mới đây của Loạt kính thiên văn Allen chuyên dụng ở California sẽ cho phép những nghiên cứu cĩ liên quan tới việc tìm kiếm trí thơng minh ngồi Trái đất (SETI) khảo sát một triệu ngơi sao kiểu Mặt trời nhằm tìm tín hiệu vơ tuyến thơng minh trong vịng khoảng cách gần 1000 năm ánh sáng. Từ trước đến nay, đã phân tích vơ số tín hiệu ngồi địa cầu ứng cử viên khơng mang lại thành quả gì, một số lượng khơng ngừng tăng lên của các nhà nghiên cứu SETI đã và đang chủ trương những phương pháp triệt để hơn nhằm trả lời câu hỏi của Fermi. Một trong những phương pháp cách tân nhất, sẽ được trình bày trong tháng này tại Hội nghị Khoa học Sinh vật học vũ trụ tại Santa Clara ở California, bao gồm việc tìm kiếm bằng chứng của cơng trình nhân tạo ngồi địa cầu dưới dạng những đề án “cơng nghệ thiên văn” quy mơ lớn. Các nhà văn khoa học viễn tưởng từ lâu đã đề xuất rằng những nền văn minh tiên tiến cĩ khả năng khai thác tồn bộ năng lượng của ngơi sao bố mẹ của họ bằng cách “cơng nghệ vĩ mơ” tồn bộ hệ mặt trời của họ, hay thậm chí khai thác năng lượng của tồn bộ thiên hà. Trong khi những thành tựu cơng nghệ vũ trụ như thế vẫn là chất liệu của truyện khoa học viễn tưởng, thì khơng cĩ gì khơng khoa học nếu ai đĩ hỏi những cấu trúc như thế trơng ra làm sao nếu như những người khác đã xây dựng chúng và rồi tìm trên bầu trời bằng chứng của dấu hiệu thiên văn cĩ thể cĩ của chúng. Ehững quả cầu Dyson Năm 1960, được truyền cảm hứng từ cuốn tiểu thuyết Star Maker của nhà văn khoa học viễn tưởng Olaf Stapledon, nhà vật lí lí thuyết Freeman Dyson cho rằng những nền văn minh tiên tiến cĩ thể đã triển khai những đề án cơng nghệ vũ trụ khổng lồ, chúng được gọi là những quả cầu Dyson ( Science 131 1667 ). Dyson đã mơ tả những nền văn minh cĩ khả năng khai thác năng lượng của ngơi sao của họ bằng cách phá hủy một hành tinh kích cỡ Mộc tinh và tạo ra từ nĩ một vỏ hình cầu dày 2-3 m quay trịn xung quanh ngơi sao. Vỏ cầu đĩ cĩ bán kính trung bình chừng 150 triệu km (lớn hơn một chút so với khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời). Về nguyên tắc, mặt bên trong của quả cầu Dyson sẽ bắt giữ và rồi truyền bức xạ mặt trời về phía các điểm thu gom, nơi nĩ cĩ thể được chuyển hĩa thành năng lượng sử dụng được (xem hình Khai thác Mặt trời). Điều này làm phát sinh một viễn cảnh hấp dẫn trong cơng cuộc tìm kiếm sự sống ngồi địa cầu. Năm 1964, nhà vật lí Liên Xơ Nicolai Kardashev đã phân loại các nền văn minh ngồi địa cầu theo mức độ tiến hĩa – từ loại KI đến KIII. Nhà thiên văn người Mĩ Carl Sagan ước tính rằng lồi người chỉ mới ở vào giai đoạn đầu của nền văn minh KI, nĩ được định nghĩa là nền văn minh cĩ khả năng khai thác tồn bộ bức xạ mặt trời đi đến bầu khí quyển của nĩ. Một nền văn minh KII, 40 | © hiepkhachquay
44. trái lại, cĩ thể sử dụng một quả cầu Dyson để khai thác trực tiếp năng lượng của ngơi sao quê nhà của nĩ; cịn một nền văn minh KIII cĩ khả năng khai thác năng lượng của tồn bộ một thiên hà. “Bầu trời đơng đúc các vật thể là những nguồn hồng ngoại sáng nhưng khơng nhìn thấy trong dải phổ khả kiến”, Dyson nĩi. “Khơng cĩ lí do gì cho rằng bất kì vật thể nào trong số chúng là nhân tạo, nhưng chúng trơng y như một quả cầu Dyson được đề xuất trơng như vậy”. Khai thác Mặt trời. Quả cầu Dyson là một vật thể giả thuyết được xây dựng bởi những nền văn minh tiên tiến cao độ ngồi địa cầu để khai thác cơng suất bức xạ tồn phần của một ngơi sao kiểu Mặt trời. Về nguyên tắc, một nền văn minh như thế sẽ thu gom năng lượng tại những điểm nhất định trên quả cầu để cung cấp cho nhu cầu năng lượng riêng của họ. Thay vì tìm kiếm dấu hiệu của những nền văn minh tiên tiến bằng cách tìm kiếm tín hiệu vơ tuyến và khả kiến, một số nhà vật lí nghĩ rằng cách cĩ lợi hơn là nên tìm bằng chứng của những quả cầu như thế. Vấn đề là ở chỗ khĩ mà tìm ra những vật thể thiên văn nhân tạo như thế từ nhiều vật thể tự nhiên khác trơng y hệt. Trong khi một quả cầu Dyson hồn hảo, trên lí thuyết, sẽ hấp thụ năng lượng của ngơi sao của nĩ và do đĩ khơng phát ra chút bức xạ khả kiến hay tử ngoại nào mà ngơi sao giải phĩng trong phần lớn cuộc đời của chúng, thì vỏ cầu sẽ phát xạ trở lại nhiệt hao phí và gây ra một sự phát xạ hồng ngoại mạnh. Tuy nhiên, vào lúc bắt đầu và kết thúc cuộc đời của chúng, các ngơi sao chìm ngập trong những đám mây bụi ấm áp cũng làm chúng phát xạ mạnh trong vùng hồng ngoại xa. Thật vậy, việc đo sự dư thừa hồng ngoại của một ngơi sao hiện nay là phương pháp được ưa chuộng trong việc tìm kiếm các đĩa tiền hành tinh giả định quay xung quanh những ngơi sao trẻ (xem hình Thách thức quan sát ). 41 Tuyển Physics World 2008 | © hiepkhachquay
45. Sự phong phú của các nguồn hồng ngoại tự nhiên khiến khĩ mà nhận ra một nguồn nhân tạo chỉ sử dụng bức xạ hồng ngoại. Tuy nhiên, Dyson nĩi rằng chúng ta cĩ thể gặp may và phát hiện ra một nguồn hồng ngoại với một phổ kì lạ hay một sự biến thiên thời gian khơng thể giải thích là một hiện tượng tự nhiên. “Chúng ta khơng thể nĩi chắc chắn rằng những điều như thế là khơng thể”, theo lời Dyson, người là giáo sư danh dự tại Viện Nghiên cứu Cao cấp Princeton. Dan Werthimer, giám đốc chương trình SETI tại đại học California ở Berkeley, đồng ý như vậy. “Bạn cĩ thể tranh cãi cho đến khi nào bạn bắt gặp những nền văn minh xây dựng nên các quả cầu Dyson, nhưng nếu đĩ là một khả năng thì tại sao lại khơng nhìn thấy ?”, ơng nĩi. Kết luận hồng ngoại Đã cĩ một số cuộc tìm kiếm quả cầu Dyson. Năm 2004, Werthimer và người học trị của ơng khi ấy chưa tốt nghiệp, Charlie Conroy, đã phân tích số liệu phổ từ 1000 ngơi sao kiểu mặt trời ít nhất là một tỉ năm tuổi, đảm bảo rằng những ngơi sao đĩ đã chiếu sáng lâu lớp bụi liên quan đến các đĩa tiền hành tinh. Đơi nghiên cứu tìm kiếm 32 sao với sự phát xạ hồng ngoại dư thừa cho dấu hiệu phát xạ vơ tuyến bất thường hoặc các xung laser khả kiến nano giây xác nhận cho một nguồn gốc thơng minh nhân tạo, nhưng họ tìm thấy khơng cĩ tín hiệu nào kiểm tra được. Werthimer nĩi rằng lời giải thích cĩ khả năng nhất cho những ứng cử viên này là cĩ một số bụi cĩ mặt, cho dù chúng là những ngơi sao già. Nhà vật lí Freeman Dyson là người trong một bài báo năm 1960 đã mơ tả cách thức những nền văn minh tiên tiến ngồi địa cầu cĩ thể thực thi những đề án cơng nghệ vũ trụ khổng lồ. Trong khi đĩ, nhà vật lí hạt Fermilab đã nghỉ hưu, Dick Carrigan, người vẫn nghiên cứu ở phịng thí nghiệm vật lí năng lượng cao nằm ngồi vùng ngoại ơ Chicago, đã bỏ ra 5 năm qua cần 42 | © hiepkhachquay