※ Ảnh minh họa bộ phim (Nguồn IBM)
Bất cứ ai từng thử làm một bộ phim theo dạng stop animation (tạm dịch: hình tĩnh) sẽ hiểu rằng đây là một công việc tốn rất nhiều thời gian và tinh vi. Hãy dành suy nghĩ đó cho những nhà khoa học tại IBM Almaden, California, những người đã sản xuất một bộ phim stop-animation nhỏ nhất thế giới. Bộ phim được xây dựng bằng cách sử dụng kính hiển vi dạng scanning tunneling microscope (tạm dịch: kính hiển vi quét hầm điện tử- gọi tắt STM, tham khảo file đính kèm và nội dung bên dưới) để di chuyển từng hạt nguyên tử. Đương nhiên, bộ phim không được sản xuất nhằm cạnh tranh với Aardman hay Pixar trên các phòng vé, mà nó chỉ nhằm chỉ ra cho cộng đồng thấy rằng: công nghệ mới có thể làm tăng khả năng ghi nhớ của máy tính vượt xa những gì mà chúng có thể làm được hiện nay.
Bộ phim được đặt tên là A Boy and His Atom (tạm dịch: Cậu bé và Nguyên Tử). Các hạt nguyên tử sử dụng trong bộ phim được đặt một cách chính xác vào 242 khung hình, tạo thành các chuyển động tương đối mượt mà. Nội dung của bộ phim xoay quanh một câu bé với tên gọi Atom. Cậu bé này kết bạn với một hạt nguyên tử và có một hành trình vui chơi rất thú vị, bao gồm nhảy nhót, chụp bắt hay nhảy lên tấm đệm lò xo. Rõ ràng, đây là một nội dung không hề.. thú vị mấy, nhưng đấy không phải vấn đề mà chúng ta quan tâm.
“Việc tóm bắt, đặt vị trí và tạo hình cho các hạt nguyên tử để làm nên một bộ phim hoạt hình ở mức độ nguyên tử là một hoạt động khoa học đòi hỏi độ chính xác cao và hoàn toàn mới lạ,” Andreas Heinrich, trưởng nhóm nghiên cứu của IBM cho biết. “Tại IBM, các nhà nghiên cứu không chỉ tìm hiểu về khoa học, mà chúng tôi còn làm khoa học. Bộ phim này là một cách thú vị để chia sẻ về thế giới ở cấp độ nguyên tử. Đồng thời mở ra một cuộc đối thoại giữa các sinh viên và những người nghiên cứu khác về những biên giới mới trong ngành Toán và Khoa Học.”
Bằng việc sử dụng tương tác hóa học giữa đầu thăm dò của STM và nguyên tử, nhóm nghiên cứu đã biến STM thành một cần cẩu lượng tử để nhặt và di chuyển nguyên tử đến những vị trí chính xác mà họ muốn.
Để sản xuất bộ phim này, các nhà khoa học đã sử đụng một bề mặt tấm đồng với đầu thăm dò lở lưng chỉ khoảng 1 nanometer bên trên. Các hạt nguyên tử được nhặt và sắp xếp trên bề mặt tấm đồng bằng một phương pháp đặc biệt khác, đó là lắng nghe di chuyển của nguyên tử. Do kính hiển vị STM không thể đồng thời di chuyển và truyền hình ảnh trong cùng 1 lúc, cỗ máy đã được thiết kế để tạo ra âm thanh phản hồi mỗi khi hạt nguyên tử di chuyển. Từ đó các nhà khoa học có thể biết rằng khi nào thì chúng thay đổi vị trí thành công. Bằng cách đó, các hạt nguyên tử được xếp đặt vị trí và tạo nên hình ảnh, cử động. Như bạn thấy trong clip bên dưới.
Mục đích của clip này, như đã trình bày ở trên, không phải là kể một câu chuyện ngụ ngôn về cậu bé và hạt nguyên tử tí hon của cậu. Thay vào đó là thu hút sự chú ý đến hoạt động của IBM trong việc đột phá một rào cản của công nghệ điện toán, được biết đến với cái tên The End of Moore’s Law ( Tận cùng của định luật Moore). Được đặt tên theo người phát hiện , Gordon E. Moore, định luật Moore được mô tả rằng mật độ bán dẫn trong mạch tích hợp sẽ tăng gần như gấp đôi cứ mỗi 2 năm. Theo IBM, chắc chắn sẽ có lúc định luật Moore đi đến tận cùng và đó cũng là thời điểm mạch điện toán tiếp cận với kích thước nguyên tử.
Với suy nghĩ đó, IBM đã đặt ra một cách tiếp cận tối hậu cho việc này. Hiện nay, vẫn cần khoảng 1 triệu nguyên tử để lưu trữ khoảng 1bit dữ liệu của máy tính hiện đại, đồng nghĩa với việc còn rất nhiều việc phải làm để đạt giới hạn thực tiễn. Nhưng ý tưởng của IBM,bắt đầu với một nguyên tử và kết hợp thành một thành phần máy tính có tính thực tiễn là việc rất có tính khả thi.
Sau đây, mời quý vị và các bạn thưởng thức bộ phim :
[youtube link=”http://www.youtube.com/watch?v=oSCX78-8-q0&feature=player_embedded” width=”590″ height=”315″]
**Phụ Lục**
Scanning Tunnel Microscope (gọi tắt là STM) được phát triển từ năm 1981 bởi Gerb Binnig và Heinrich Rohrer tại chi nhánh IBM tại Zurich, dựa trên nguyên lý hầm lượng tử. Đây là một khái niệm rất khó hiểu thậm chí đối với những người trong ngành (phát hiện này đã được trao giải Nobel Vật Lý năm 1986). Để nói một cách đơn giản, thì STM hoạt động dựa trên hiện tượng thực tế là : khi ở trong thiết bị lượng tử, một hạt electron (điện tử) thường sẽ bị dội lại khi va chạm vào tấm chắn, thế nhưng có một xác suất rất nhỏ hạt electron có thể hiện diện ở đầu bên kia của tấm chắn (nếu tấm chắn đủ mỏng). Sự hiện diện đó có thể tưởng tượng như việc hạt electron đã đào một đường hầm xuyên qua tấm chắn vậy và đó cũng là xuất phát của tên gọi “hầm lượng tử” (quantum tunneling).
STM khai thác nguyên lý này bằng cách sử dụng một thiết bị quét ứng điện (piezoelectric scanning device) với một đầu thăm dò sắc nhọn ở mức độ nguyên tử. Đầu thăm dò này được tích điện và di chuyển rất nhanh lướt trên bề mặt của vật mẫu. Nếu phát hiện một nguyên tử, thì hiện tượng “hầm lượng tử” sẽ khiến các hạt điện tử (electron) sẽ chảy giữa đầu thăm dò và nguyên tử. Một máy tính sẽ theo dõi dòng chảy này và tính toán vị trí của nguyên tử, từ đó cho phép tạo ra hình ảnh chính xác về vị trí của từng hạt nguyên tử trên vật mẫu. Hiển nhiên, đây là một quá trình rất phức tạp và đòi hỏi phải thực hiện dưới những điều kiện rất khắt khe và nhiệt độ vô cùng thấp để tránh ảnh hưởng của nhiệt độ.
Để hiểu rõ hơn về hầm lượng tử và nguyên lý của STM, bạn có thể theo dõi clip dưới đây:
[youtube link=”http://www.youtube.com/watch?v=K64Tv2mK5h4″ width=”590″ height=”315″]
Người dịch: Trungmaster, theo Gizmag
Luận văn tham khảo về STM : Introduction to Scanning Tunneling Microscopy
