Transistor:
Nhân tố của một cuộc cách mạng (phần 2)


Trương Văn Tân

"Hạt bụi nào hóa kiếp thân tôi
Để một mai vươn h́nh hài lớn dậy"

Trịnh Công Sơn

 

Tóm tắt

Transistor silicon hiện tại sẽ tiến đến mức cực nhỏ và không thể thu nhỏ hơn. Định luật Moore sẽ sụp đổ. Công nghiệp sản xuất máy tính sẽ chết dần. Đây là niềm lo âu đối với công nghiệp điện tử và kinh tế toàn cầu. Các vật liệu hữu cơ như polymer bán dẫn, hợp chất acene, ống than nano và graphene được dùng để chế tạo transistor hữu cơ nhằm thay thế transistor silicon trong chip vi tính. Sau hơn 20 năm, nghiên cứu transistor hữu cơ vẫn c̣n nhiều vướng mắc kỹ thuật trong việc gia tăng tốc độ xử lư dữ liệu và khả năng làm chip vi tính. Tuy nhiên, transistor hữu cơ đă khai sáng ra nền công nghiệp "điện tử mềm" (flexible electronics) trong đó các vi mạch được in lên những chất nền polymer hay cao su mềm, trong suốt. Một trong những ứng dụng lớn là màn h́nh mềm cho tivi hay laptop cuốn tṛn, thậm chí có thể dán tường. Mặt khác, cuộc chạy đua t́m kiếm transistor cho máy tính tương lai vẫn tiếp diễn. Người ta nghĩ đến việc dùng transistor siêu phân tử biến máy tính thành hạt bụi rồi nối mạng các "hạt bụi" này thành máy tính cực siêu như bộ năo con người. Nhưng, sản phẩm này vượt ra ngoài khả năng của khoa học hiện tại. Thực tế hơn, những nguyên lư "kỳ quặc" của cơ học lượng tử đang được tận dụng để chế tạo máy tính lượng tử. Máy tính lượng tử có tốc độ xử lư siêu việt. Những ǵ máy thông thường cần 100 năm để t́m giải đáp th́ máy lượng tử chỉ cần vài phút. Lạ lùng thay, vi khuẩn quang hợp cũng hành xử như một máy tính lượng tử trong quá tŕnh quang hợp. Mẹ thiên nhiên dường như có câu trả lời cho tất cả!      

1. Silicon hay carbon?

Bộ vi xử lư hay c̣n gọi là chip vi tính giống như chiếc đũa thần. Khi được cài vào máy tính, nó làm máy càng mỏng xử lư càng nhanh; nó đă biến bộ môn nhiếp ảnh thành kỹ thuật số, cũng như đă biến chiếc điện thoại di động nhỏ bé càng mang nhiều chức năng thuận tiện; nó đă làm cho một màn h́nh trở thành bộ sách chứa hàng trăm quyển sách (e-book reader); nó biến robot mang những cử động và biểu hiện cảm xúc giống như con người, Pinocchio cơ hồ trở thành người thật. Chưa hết. Khi chip hiện diện trong máy bay, nó sẽ biến máy bay trở nên không người lái. "Phi công" ngồi trong một căn pḥng thoải mái ở một nơi bí mật nào đó cách xa chiến trường điều khiển những chiếc máy bay tiềm kích không người lái (drone) truy t́m đối phương ẩn nấp trong rừng núi, khởi động tên lửa vào những mục tiêu bằng những cái nhấn trên bàn phím.

Ngoài máy bay không người lái, các nhà khoa học đang nghiên cứu việc dùng chip để điều khiển một hệ thống định vị GPS và các radar đặt trong xe hơi để tạo những chiếc xe không tài xế. Con người rồi đây chỉ là hành khách ngồi ung dung đọc báo, tṛ chuyện. Xe sẽ biết dừng hay chạy trước tín hiệu giao thông, biết gia giảm tốc độ, biết tránh hay nhường đường với những chiếc xe xung quanh. Những từ như "tài xế" hay "tai nạn giao thông" sẽ tan biến vào quá khứ và không c̣n nằm trong ngôn ngữ giao tiếp đời thường. Con nguời sẽ hành xử văn minh hơn, không c̣n những tiếng quát tháo, cử chỉ dung tục giữa các tay lái trên đường phố, hay những lời càm ràm của người ngồi bên cạnh đại loại như "Sao anh chạy nhanh quá", "Anh sao rồi? Làm ǵ mà chạy như rùa vậy", "Sao bỗng dưng anh thắng gấp làm mẹ con tui giựt ḿnh" v.v...

Tuy rằng chip c̣n cần những phần mềm tin học điều khiển rất đa dạng và những công nghệ đặc dụng khác dùng làm "tai, mắt, chân, tay" cho nó để tạo ra những tiện nghi như vừa kể trên, có thể nói chip đă làm thay đổi bộ mặt của xă hội loài người hơn nửa thế kỷ qua và sẽ tiếp tục tạo những kỳ tích trong vài thập niên kế tiếp. Theo chuyên gia, nếu chip của máy tính vẫn tiếp tục phô diễn sức mạnh xử lư theo định luật Moore th́ có lẽ 50 năm sau máy tính sẽ vượt qua bộ óc con người. Nhưng, như đă tŕnh bày trong bài viết trước [1] định luật Moore sẽ sụp đổ theo quy luật vật lư. Mười năm trước đây, giới tiêu thụ có khuynh hướng thay máy tính hay laptop mới mỗi năm v́ tốc độ xử lư và sức chứa của bộ nhớ không ngừng gia tăng. Giờ đây, thời gian sử dụng máy tính hay laptop có thể kéo dài hơn 3 năm v́ sức mạnh của chip không c̣n gia tăng nhanh như trước. Măi lực yếu của người tiêu dùng cho thấy cái khởi đầu của tiến tŕnh đi đến sự sụp đổ của định luật Moore. Nhưng người ta vẫn chưa biết định luật Moore sẽ sụp đổ như thế nào và linh kiện ǵ sẽ thay thế transistor silicon của chip. Và nếu không có ǵ để thay thế th́ cuộc cách mạng tin học sẽ ngừng lại. Đây là một điều thực sự lo âu cho nền kinh tế toàn cầu.

Một câu hỏi thường xuyên được đặt ra là có một vật liệu nào có thể thay thế được silicon để tạo ra một thời đại hậu-silicon (post-silicon) vừa tiếp tục sự thu nhỏ của transistor vừa khắc phục được các nhược điểm của silicon. Carbon và silicon là hai nguyên tố anh em trong cùng Nhóm IV của bảng phân loại tuần hoàn. Mặc dù cùng ở Nhóm IV, silicon là đại diện của vật chất vô cơ trong khi carbon là nguyên tố chính của vật chất hữu cơ và sự sống. Silicon nổi bật trong thế giới chất rắn v́ người ta có thể tinh chế được silicon đến độ nguyên chất gần như tuyệt đối (độ tinh khiết 99.999999999 %, 11 con số 9). Tinh thể silicon là một trong những tinh thể có ít khuyết tật nhất. Trong công nghiệp điện tử người ta biết đến silicon như là một vật liệu toàn bích cho transistor. Trong vật lư nó là một chất bán dẫn tiêu biểu làm sáng tỏ những hiện tượng cơ bản của vật lư chất rắn. Carbon lại là một nguyên tố nổi bật trong bảng phân loại tuần hoàn, nguyên tố chính của hằng trăm triệu hợp chất hữu cơ nhân tạo và toàn thể phân tử của sinh thực vật trên quả đất.

Trong ba thập niên qua, những vật liệu hữu cơ dẫn điện hay bán dẫn như hợp chất họ acene (hợp chất do các nhân benzene nối kết với nhau), polymer bán dẫn, ống than nano và gần đây graphene là những vật liệu được tổng hợp và nghiên cứu cho những ứng dụng điện tử. Cụm từ "transistor hữu cơ" trong bài viết chỉ toàn thể transistor làm từ các vật liệu hữu cơ vừa đề cập, nghĩa là các chất chứa nguyên tố carbon. Trong khi silicon là một trong những chất bán dẫn vô cơ tiêu biểu, vật liệu hữu cơ có độ dẫn điện có thể được điều chỉnh từ mức bán dẫn đến mức dẫn điện của đồng. Ngoài ra, hợp chất hữu cơ hay polymer có thể ḥa tan trong dung môi rất tiện lợi cho hóa tŕnh chế tạo linh kiện và vật liệu h́nh thành là một thể mềm (thí dụ, plastic hay cao su) có thể uốn cong, gấp nhỏ. Sự khác biệt giữa carbon và silicon không chỉ dừng ở đây. Transistor dùng nguyên tố silicon là một thí dụ điển h́nh của nền công nghệ "từ trên xuống", trong khi polymer bán dẫn, ống than nano và graphene là vật liệu nano mang tiềm năng sáng tạo các công cụ điện tử chế tạo bằng phương pháp "từ dưới lên".

Đây là những ưu điểm của vật liệu hữu cơ nhưng làm thế nào để các ưu điểm này được tận dụng tối đa và liệu các chất này có thể thay thế silicon trong cuộc cách mạng thu nhỏ transistor? Có khả năng nào để ta thiết kế chip chứa hàng trăm triệu hay hàng tỷ transistor hữu cơ bằng phương pháp "từ dưới lên" mô phỏng theo bộ năo sinh vật chứa hàng trăm tỷ tế bào năo? Một khuynh hướng nghiên cứu khác để cứu văn sự sụp đổ của định luật Moore là máy tính lượng tử, sử dụng nguyên tử như một transistor. Có khả năng nào máy tính lượng tử sẽ là máy tính của tương lai? Trong nghiên cứu khoa học, mỗi thành quả là một lời giải đáp nhưng cũng ẩn tàng nhiều câu hỏi khác. Dường như Mẹ thiên nhiên nh́n thấy tất cả và đă có câu trả lời cho mọi t́nh huống. Bài viết này nhằm t́m kiếm câu trả lời cho các câu hỏi trên dựa trên theo các công tŕnh nghiên cứu gần đây trong lĩnh vực transistor hữu cơ và những tiến triển trong vi tính lượng tử hay những câu trả lời của Mẹ thiên nhiên đă có sẵn đâu đó ở xung quanh ta.  

2. Transistor carbon: ống than nano và graphene

Kể từ năm 1991 khi tiến sĩ Sumio Iijima tái phát hiện ống than nano và khẳng định vai tṛ quan trọng của vật liệu này trong khoa học và công nghệ, những phương pháp tổng hợp ống nano đă đạt đến một tŕnh độ tinh vi để h́nh thành được các loại ống theo yêu cầu của một ứng dụng được định trước. Từ một sản phẩm đầu tiên tạp nhạp chứa những ống than kích thước, đường kính khác nhau, những lớp vỏ nhiều ít khác nhau, các nhà khoa học đă minh định được những yếu tố để kiểm soát phẩm chất của ống theo nhu cầu. Đây cũng là điều kiện tiên quyết trong việc chế tạo transistor ống than nano.

Ống than nano đặc biệt gây được sự chú ư đến các nhà nghiên cứu vật lư chất rắn và kỹ sư thiết kế transistor. Đường kính vài nanomét và tính chất truyền điện đạn đạo (ballistic electrical conduction) là hai điều kiện lư tưởng cho việc chế tạo transistor. Điều kiện thứ nhất cho thấy khả năng thu nhỏ transistor đến kích cỡ vài nanomét. Điều kiện thứ hai mở ra tiềm năng chế tạo một transistor không phát nhiệt hay rất ít phát nhiệt [2-3]. V́ có h́nh dạng ống, sự di động qua lại của electron trong ống như ra vào ở chỗ không người, không bị vướng mắc va chạm như trong dây đồng hay silicon. Đó là sự truyền điện đạn đạo không gây nhiệt.

Thay thế vật liệu vô cơ bán dẫn silicon bằng vật liệu hữu cơ carbon có thể xem là một bước ngoặt quan trọng trong việc triển khai và thu nhỏ transisitor. Từ hơn một thập niên qua đă có nhiều nỗ lực đơn lẻ [4-6] nhưng công ty IBM vẫn dẫn đầu trong việc đầu tư nghiên cứu transistor ống than nano với mục đích vi mạch hóa và thay thế transistor "cổ điển" silicon [7-10] (H́nh 1). Là một công ty hàng đầu làm chip vi tính, việc dấn thân vào nghiên cứu chế tạo transisitor ống than nano cho thấy tiềm năng rộng lớn của ống than nano trong lĩnh vực điện tử. Các kết quả thí nghiệm cho thấy tác động đóng mở của transistor ống than nano có tốc độ nhanh không kém transistor silicon và cho nhiều tiềm năng. Sự thành công của transistor dùng ống than nano sẽ là bước đầu nhiều hứa hẹn dẫn đến ngành điện tử học nano trong đó người ta có thể làm toàn thể mạch điện và các linh kiện điện tử ở cấp nanomét.

 

 

 

 

H́nh 1: Transistor ống than nano.

(a) Cấu trúc, S: cực nguồn (source), D: cực máng (drain), Si back gate: cổng silicon. 

(b): Mặt trên của mẫu transistor với cực S và D là hợp kim Au/Ti được nối với một SWNT bắc ngang.

Ống than nano vỏ đơn (single-wall carbon nanotube, SWNT) có đường kính 1 – 5 nm (nanomét) là một vật liệu chính được dùng để thiết kết cổng transistor có tiềm năng chế tạo transitor thu nhỏ ít phát nhiệt. Nhưng phần lớn trong các bài báo cáo gần đây, các nhà nghiên cứu dường như không nói đến khả năng transistor ống than nano thay thế transistor silicon truyền thống trong quá tŕnh tiếp tục thu nhỏ. Điều này dễ hiểu. Gần một tỷ transistor silicon được cài đặt trong mạch tích hợp làm nên chip của các máy vi tính hiện đại được sản xuất đại trà bằng phương pháp li-tô quang của công nghệ cao. Ngoài việc nâng cao kỹ năng chế tạo chip, bản thân nguyên tố silicon là một vật liệu kết tinh với những mạng tinh thể có độ chính xác đến mức nguyên tử với chất lượng gần như tuyệt đối. Khó có một nguyên tố nào khác có thể b́ kịp. Transistor từ ống than nano hay các vật liệu hữu cơ khác chưa có hai ưu điểm này.

Hiện nay IBM vẫn tiếp tục đầu tư vào các nghiên cứu dùng ống than nano vỏ đơn (SWNT). Đối với một công ty như IBM mà mục tiêu kinh doanh là lợi nhuận, việc duy tŕ các công tŕnh nghiên cứu transisitor SWNT mang một ư nghĩa đặc biệt. Trong bài tổng quan của Appenzeller [9], tiêu điểm nghiên cứu không c̣n là việc thu nhỏ transistor mà là phát huy triệt để các đặc tính điện tử của ống nano. Ngoài hiện tượng di chuyển đạn đạo của electron trong ống, một đặc trưng khác của transistor ống nano là hiệu ứng đường hầm của ống. Cổng transistor như cái ṿi nước điều khiển ḍng electron chảy (on) hay ngừng (off). Điện thế của cổng to hay nhỏ sẽ làm cho ḍng chảy nhiều hay ít hay hoàn toàn ngưng lại. Hiệu ứng đường hầm trong ống than nano sẽ giúp cho transitor chỉ cần một điện thế rất nhỏ so với transistor silicon cho việc đóng mở (on/off). Hệ quả là độ nhạy của transistor sẽ gia tăng và sự tiêu thụ năng lượng sẽ giảm đi rất nhiều.

Từ những ưu điểm này, ống than nano giải quyết được vấn đề giảm sự phát nhiệt qua đặc tính di chuyển đạn đạo và độ nhạy của cổng qua hiệu ứng đường hầm. Tuy nhiên, để tiến đến việc chế tạo vi mạch và dụng cụ điện tử chứa transistor SWNT các nhà khoa học cần phải tổng hợp SWNT thuần chất gần như tuyệt đối, đồng nhất đến mức phân tử: đường kính, chiều dài, cấu trúc và độ dẫn điện. Phương pháp tổng hợp SWNT hiện nay thường sản xuất những ống có đường kính khác nhau hay ống nhiều vỏ (multi-wall carbon nanotubes, MWNT) lẫn vào như một chất tạp. Mặc dù đă có hàng trăm báo cáo và đăng kư phát minh về phương pháp tổng hợp ống than nano, chưa có một phương pháp nào có thể sản xuất đại trà SWNT đạt được yêu cầu khắt khe cho quá tŕnh chế tạo transitor. Một bài báo cáo mới đây [10] cho biết việc tinh lọc SWNT bán dẫn đă đạt đến độ tinh kiết 99 % với đường kính 1 nm thích hợp cho việc chế tạo transistor. Một tia sáng ở cuối đường hầm, nhưng đây là một quá tŕnh tốn kém.

Graphene là người anh em của ống than nano trong ḍng họ carbon. Tháng 12 năm 2010, Viện Hàn lâm Khoa học Thụy Điển trao giải Nobel Vật lư cho công tŕnh nghiên cứu graphene của hai nhà khoa học người Anh gốc Nga, Andre Geim và Konstantin Novoselov (Đại học Manchester, Anh quốc). Graphene là một lớp của than ch́ (graphite). Từ lâu, người ta đă biết rơ cấu trúc lớp (layered structure) của than ch́, v́ giá rẻ nên không biết làm ǵ hơn là dùng làm lơi bút ch́. Geim và Novoselov dùng một thao tác nano đơn giản bằng cách áp băng keo lên than ch́ để tách ra một mảng graphene. Từ đó than ch́ từ một "phó thường dân" được thăng hoa trở thành hoàng tử. Việc tách rời từng lớp graphene từ than ch́ lần đầu tiên đă cho ngành vật liệu học một vật liệu nano thuần carbon hai thứ nguyên với độ dày của một nguyên tử. Nó có h́nh dạng của mạng lưới giây ch́ làm chuồng gà (H́nh 2). Tầm quan trọng trong ứng dụng của graphene và việc mở rộng chân trời nghiên cứu vật lư lư thuyết có lẽ là hai nguyên nhân chính trong việc trao giải Nobel cho Geim và Novoselov, dù rằng hai ông chỉ mới chế tạo graphene vào năm 2004. 

     

                                       (a)                                                                                       (b)

H́nh 2:

(a) Một mảng graphene.
(b) Phim graphene do các mảng graphene chồng chập tạo nên
(Credit: Dr. Dan Li,
Monash University, Australia).

Năm 2008, nhóm Manchester của Geim và Novoselov đă chế tạo transistor graphene ở kích cỡ 1 nanomét [11]. Có thể đây là kích cỡ nhỏ tận cùng của một transistor. Rơ ràng là một đột phá nhưng chỉ mang tính hàn lâm. Cũng như ống than nano, để làm transistor graphene cần phải được chế tạo với một chất lượng đồng nhất tuyệt đối và giá rẻ. Theo giá năm 2009, một mảng graphene 30 x 30 cm có giá bán là vài triệu đô la. Sẽ c̣n rất lâu transistor ống nano hay graphene mới có thể thay thế transistor silicon v́ vấn đề kỹ thuật sản xuất và giá cả. 

Một trở ngại khác là việc chế tạo vi mạch. Phương pháp li-tô quang là một phương pháp truyền thống tạo mẫu cho cho các mạch tích hợp chứa hàng trăm triệu và đang tiến đến một tỷ transitor silicon. Bằng phương thức này từ một mảng silicon vĩ mô người ta thiết kế vi mạch chi chít những linh kiện ở mức nanomét. Li-tô quang càng lúc càng tinh vi và tốn kém, bao gồm nhiều công đoạn như dùng tia năng lượng cao như tia tử ngoại, nhiệt và hoá chất để tẩy rửa. Những yếu tố này làm biến chất hay phân hủy các hợp chất hữu cơ kể cả ống than nano và graphene. Do đó, đây không phải phương pháp thích hợp chế tạo vi mạch cho các transistor hữu cơ. Các nhà khoa học vẫn c̣n đang loay hoay t́m một phương pháp tương đương với li-tô quang để sản xuất vi mạch có thể chứa một số lớn transistor và các phụ kiện hữu cơ hay nói rộng hơn một hệ thống tích hợp cấp nano giống như vi mạch silicon.

 

3. Phương pháp tự lắp ghép

Để chế tạo một linh kiện như transistor, vấn đề cơ bản cho trường hợp của vật liệu hữu cơ là làm sao có một sự sắp xếp thứ tự ở cấp độ phân tử. Người ta liên tưỏng đến cơ chế "tự lắp ghép" (self-assemble) của các phân tử sinh học tạo ra những bộ phận trong sinh thực vật có chức năng khác nhau. "Trật tự" là một đặc trưng của các các cơ quan sinh học được h́nh thành qua quá tŕnh tự lắp ghép. Nó là một kết quả của sự tiến hóa qua hàng tỷ năm, xuất phát từ các đơn bào đơn giản cho đến các loài sinh thực vật phức tạp biết tư duy mà đỉnh cao là con người. Sinh học là một thí dụ điển h́nh của phương pháp "từ dưới lên". Cơ chế tự lắp ghép quán xuyến toàn bộ các quá tŕnh sinh học theo một tôn ti (hierarchy) từ thấp đến cao, từ đơn giản đến phức tạp và phức tạp hơn nữa, tạo ra như đơn vị, bộ phận, cơ quan có chức năng nhất định, biết ứng đối với hoàn cảnh xung quanh, có khả năng tự sinh sản, tự bảo vệ và tự tu sửa (self-repair). Trải qua hàng tỷ năm, phương pháp "từ dưới lên" trong sinh học mang cơ chế tự lắp ghép cũng đă trải qua một quá tŕnh tiến hóa hàng tỷ năm theo sự chọn lọc tự nhiên đă được nhà khoa học vĩ đại Darwin đề xướng.

Ta có thể so sánh transistor như tế bào của một dụng cụ điện tử và chip là tập hợp của các tế bào điều khiển sự vận hành của máy vi tính. Trong việc chế tạo mạch tích hợp chứa transistor hữu cơ, nếu ta có thể mô phỏng thiên nhiên th́ phương pháp "từ dưới lên" sẽ là một con đường sản xuất lư tưởng. Như đă nói ở trên, cơ chế tự lắp ghép của phân tử là bước đầu tiên của quá tŕnh "từ dưới lên". Khả năng tự lắp ghép của các phân tử sinh học quả thật nhiệm mầu, nhưng ta cũng có thể nh́n thấy hiện tượng này ở mức độ đơn giản nhất trong nhà bếp. Ai có kinh nghiệm rửa chén bát đều thấy một giọt mỡ lan rất nhanh trên mặt nước tạo thành một màng cực mỏng do sự tự lắp ghép các phân tử mỡ trên bề mặt của nước. Một muỗng dầu có thể tích khoảng 2 ml (mililít) lan trên mặt hồ có thể phủ kín một diện tích rộng 2.000 m2. Ta có thể tính được độ dày của lớp phủ khoảng 1 nm (nanomét) hay là kích thước trung b́nh của một phân tử. Như vậy, màng dầu lan tỏa trên mặt hồ là màng cực mỏng hai thứ nguyên có độ dày của một phân tử. Tương tự, chất hoạt tính bề mặt (surfactant) trong bột giặt tự lắp ghép sao cho đầu thích nước sẽ nằm trong nước và đuôi ghét nước chĩa ra ngoài (H́nh 3).

   

 


H́nh 3: Sự tự lắp ghép đơn giản của các phân tử hoạt tính bề mặt ở mặt tiếp giáp nước và không khí.

 

Cụm từ "tự lắp ghép" mang ư nghĩa của một quá tŕnh xảy ra tự nhiên, nhưng nó không phải là một quá tŕnh "từ trên trời rơi xuống" mà ta chỉ ngồi đó chờ sung rụng… Nếu ta không tạo điều kiện và môi trường thích hợp th́ sự tự lắp ghép sẽ không xảy ra. Sự lắp ghép của các phân tử là do sự kết hợp của các loại nối liên phân tử như nối hydrogen, nối van der Waals hay nối ion. Ta phải chọn lọc nhiệt độ, áp suất, độ pH thích hợp để sự lắp ghép của một tập hợp của phân tử hay vật liệu nano có cơ hội xảy ra theo ư muốn của ḿnh. Sự kỳ diệu trong các sinh thực vật là tất cả mọi quá tŕnh lắp ghép đi từ vi mô đến vĩ mô đều ở một nhiệt độ b́nh thường của môi trường xung quanh, áp suất không khí và môi trường nước có độ pH trung tính (pH ~ 7). Mô phỏng thiên nhiên quả là một việc không dễ khi thiên nhiên đă có một bề dày lịch sử tiến hóa hơn 4 tỷ năm so với kinh nghiệm nghiên cứu khoa học của con người chỉ hơn 400 năm.

Ngay từ thập niên 90 của thế kỷ trước, nhiều nhóm nghiên cứu đă chú ư đến tầm quan trọng của cơ cấu tự lắp ghép của các phân tử trên một diện rộng cho việc thực hiện mạch tích hợp với các vật liệu hữu cơ. Cho đến nay thành quả của các nỗ lực này vẫn c̣n một giới hạn. Nếu so với hệ thống sinh học với cấu trúc tự lắp ghép đa tầng từ vi mô đến vĩ mô, từ phân tử đến con người, càng to càng tinh vi, th́ khả năng hiện tại của con người tạo ra điều kiện tự lắp ghép của các vật liệu chỉ vỏn vẹn từ một tầng phân tử đến đa tầng phân tử. Tuy nhiên, phải nói rằng phương pháp tự lắp ghép của polymer bán dẫn để h́nh thành dây nano (nanowire) cho transistor là một tiến bộ đáng kể của cơ chế này.   

Việc sử dụng các loại polymer bán dẫn như polypyrrole, polyaniline và polythiophene thay cho silicon trong transistor đă được đề xuất từ ba thập niên trước, ngay sau khi lúc các vật liệu này được phát hiện bởi Alan MacDiarmid, Alan Heeger và Hideki Shirakawa (Nobel Hóa học 2000) [12]. Kể từ khi transistor polymer bán dẫn polythiophene đầu tiên được báo cáo vào năm 1987 (H́nh 4), transistor polymer tạo ra những đột phá trong hai thập niên phát triển nhờ vào cơ chế tự lắp ghép và trở nên thông dụng dưới dạng transistor phim (thin film transitor). Như ta đă biết trong silicon, sự di động của electron trong transistor đ̣i hỏi một con đường thông thoáng được thành h́nh bởi độ trật tự của tinh thể silicon. Tương tự, vật liệu polymer cần phải có cấu trúc tinh thể với độ trật tự thật cao. Để thực hiện điều này, ta phải tạo điều kiện để các phân tử polymer có thể tự lắp ghép tạo thành một dây nano có một trật tự nhất định (H́nh 5) [13].

 

H́nh 4: Cấu trúc hóa học của poly(3-hexylthiophene),
một polymer bán dẫn thông dụng dùng trong transistor.

 

 

(a) 

   

    (b)

H́nh 5:

(a) Các phân tử poly(3-hexylthiophene) tự lắp ghép bằng cách chồng chập theo chiều vân đạo p và cũng là trục của dây nano. Dây nano vắt ngang hai điện cực nguồn và máng của transistor.

(b) Ảnh minh họa của transitor dây nano. S: cực nguồn, D: cực máng, Dielectric: lớp cách điện, Gate: cổng.

 

 

Các loại transistor với cổng logic làm từ ống than nano, dây nano của polymer bán dẫn và gần đây graphene đă cho thấy những ưu điểm của vật liệu một chiều (1D) và hai chiều (2D). Tuy nhiên, việc thu nhỏ vẫn không vượt qua được kích cỡ của transistor silicon đang có trên thương trường. Cơ cấu tự lắp ghép có lẽ là một phương pháp hữu hiệu để thực hiện mạch tích hợp của các linh kiện điện tử hữu cơ nhưng với khả năng hiện tại người ta chỉ có thể thực hiện cơ cấu này ở mức sơ đẳng nhất so với hệ thống sinh học.

4. Kỹ thuật in phun

Lắm lúc những dụng cụ trong cuộc sống đời thường có thể là một khuôn mẫu cho một ứng dụng mới trong khoa học. Các nhà nghiên cứu thường nh́n xung quanh t́m ư tưởng v́ những cái trông rất b́nh thường và đương nhiên lắm khi lại hàm chứa nhiều ư tưởng thú vị. Chiếc máy in phun (inkjet printer) để bàn hầu như trở nên một vật dụng cần thiết đi đôi với chiếc máy tính. Nó lọt vào mắt xanh của các nhà khoa học v́ khả năng phun mực in ở cấp độ nanolít (1 phần tỷ lít). Sự hoà tan thường thấy trong dung môi hay dung dịch keo (colloids) của các hợp chất hữu cơ là một ưu điểm cho quá tŕnh chế tạo vi mạch làm từ các vật liệu hữu cơ. Với một vài thao tác hoá học các loại dung dịch hay chất keo vật liệu hữu cơ có thể biến thành "mực" in.    

Ứng dụng trực tiếp của ưu điểm này là khả năng in phun lên trên một chất nền mềm và mỏng tạo ra những mô dạng vi mạch cho một ứng dụng điện tử. Đă có nhiều pḥng nghiên cứu trên thế giới dùng máy in phun văn pḥng để in dung dịch của các hợp chất hữu cơ, polymer bán dẫn hay dung dịch keo của ống than nano, graphene, hạt nano kim loại hay bán dẫn. Chiếc máy in phun được cải biến để in các lằn gạch, chấm có tính dẫn điện hay bán dẫn ở kích cỡ micromét tạo h́nh các vi mạch trên chất nền polymer dẻo. Như thế, người ta có thể sản xuất các dụng cụ điện tử mềm có thể cuốn tṛn hay co dăn (H́nh 6) [14].

  

H́nh 6:
Mạch tích hợp chứa transistor ống than nano được in trên chất nền polymer mềm và trong suốt.
 

Bộ phận chính của máy in phun là hệ thống điện cơ vi mô (micro electromechnical system, viết tắt MEMS) điều khiển đầu phun thành chữ viết theo mệnh lệnh phát ra từ máy tính. Đầu phun có thể tạo ra dấu chấm, đường thẳng, đường cong ở mọi kích cỡ. Dấu chấm của chữ i là kích cỡ nhỏ nhất (60 – 70 mm) máy có thể in, tương đương với một giọt mực có thể tích là 1 nanolít. Ngày nay máy in phun văn pḥng không được giới tiêu thụ ưa chuộng như máy in laser nhưng các nhà khoa học và kỹ sư điện tử đang tiếp tục cải thiện máy in phun chuyên dụng trong việc thiết kế vi mạch của linh kiện điện tử cho nền công nghiệp "điện tử mềm" (flexible electronics) [15]. Phương pháp in phun không tinh vi như phương pháp li-tô quang; giới hạn độ nhỏ hiện nay của in phun là vài mươi micromét trong khi li-tô đă tạo ra vi mạch ở mức nanomét, vài ngàn lần nhỏ hơn. Nhưng in phun là phương pháp ít phức tạp, ít tốn kém và sẽ là một trong những công cụ tạo vi mạch cho các sản phẩm "điện tử mềm" của tương lai.  

5. Công nghiệp "điện tử mềm"

Việc sử dụng vật liệu hữu cơ bán dẫn thay thế silicon trong transistor trong 20 năm qua mang đến những thành quả rơ rệt với nhiều tiềm năng thương phẩm hoá cho công nghiệp điện tử. Nhưng, dựa trên cơ sở của các công tŕnh nghiên cứu mới nhất vật liệu hữu cơ không thể đánh bại được silicon trong cuộc chạy đua thu nhỏ transistor và chế tạo mạch tích hợp chứa hàng trăm triệu transistor. Silicon vẫn thống trị chip vi tính nếu transistor vẫn theo thiết kế cổ điển "nguồn – cổng – máng" (source – gate – drain) đóng mở ḍng điện [16]. Trong ư nghĩa này, transistor hữu cơ không đạt được cái kỳ vọng ban đầu nhằm thay thế transistor silicon, nhưng sự phát triển của transistor hữu cơ theo ḍng thời gian đă mở màn cho một nền công nghệ mới, đó là công nghiệp "điện tử mềm" (flexible electronics).

Transistor hữu cơ hiện tại tuy không có một kích cỡ nhỏ hay tốc độ xử lư nhanh như transistor silicon, nhưng nó có thể được sử dụng trong những dụng cụ không có yêu cầu cực nhanh chẳng hạn như điện thoại di động, máy ảnh kỹ thuật số hay màn h́nh sách điện tử (e-book reader). Các bộ cảm ứng (sensor) hóa học hay sinh học áp dụng trong công nghiệp hay y khoa được chế tạo dưới dạng transistor để khuếch đại độ nhạy của bộ cảm ứng (H́nh 7) [17]. 

   

 

H́nh 7: Transistor hữu cơ với hệ thống mạng ống nano hay dây nano (Assembly of NT/NW networks) có ứng dụng trong bộ cảm ứng (Sensors), dụng cụ điện tử mềm (Flexible devices) và mặt tiếp giáp sinh học (Bio-interfaces) của bộ cảm ứng sinh học.

 

Một ứng dụng của transistor hữu cơ đang có tầm ảnh hưởng lớn trong công nghiệp điện tử là chức năng hỗ trợ cho các điểm sáng diode (light emiting diode, LED). LED là loại bóng đèn dựa vào sự kích hoạt electron lên bực năng lượng cao hơn bởi ḍng điện. Khi electron nhảy xuống bực năng lượng cũ th́ năng lượng dư thừa được phát ra dưới dạng photon phát ra ánh sáng. LED là một thương phẩm rất phổ cập v́ vừa túi tiền người mua vừa ít tiêu hao năng lượng so với bóng đèn giây tóc (điện trở). LED có thể là chiếc đèn nhấp nháy khiêm tốn của người đi xe đạp nhưng cũng là hàng ngàn, chục ngàn chiếc đèn đủ màu sắc trang trí trên những cây Giáng Sinh lộng lẫy. Ta không cần phải đợi đến mùa Giáng Sinh để bị cuốn hút bởi màu sắc của LED. LED là đơn vị phát quang cơ bản của những màn h́nh quảng cáo hay màn h́nh tivi khổng lồ đặt trước những quảng trường của các thành phố lớn trên thế giới. LED trong các màn h́nh này không c̣n nhấp nháy tùy tiện như chiếc đèn xe đạp hay đèn Giáng Sinh. Mỗi LED được gắn với transistor hỗ trợ để điều khiển màu và độ sáng cho ta những h́nh ảnh sống động của một màn h́nh.

Vật liệu phát quang của LED thường là chất bán dẫn vô cơ, nhưng các chất hữu cơ và polymer bán dẫn dần dần thay thế chất vô cơ để tạo ra LED hữu cơ (organic light emitting diode, OLED). Mỗi OLED được thu nhỏ đến kích thước micromét để tạo những điểm chấm sáng li ti (từ chuyên môn là pixel) trên màn h́nh tivi, máy tính, máy ảnh và điện thoại di động. Những điểm sáng được hỗ trợ bởi transistor phía sau màn h́nh. Hăng điện tử Samsung (Hàn Quốc) là một trong những công ty hàng đầu trong lĩnh vực màn h́nh đang đầu tư rất nhiều vào các công tŕnh nghiên cứu và thương phẩm hóa màn h́nh OLED. Màn h́nh OLED mang đến cho giới tiêu thụ nhiều ưu điểm như ít tiêu hao năng lượng, độ sáng tuyệt vời, màu sắc đậm nét và có khả năng thay thế màn h́nh tinh thể lỏng (liquid crystal display, LCD) hiện đang rất phổ cập trên thị trường. Các transistor silicon hỗ trợ đă có đóng góp to lớn vào những vượt trội này cho màn h́nh OLED. Gần đây transistor hữu cơ dần dần thay thế transistor silicon trong các màn h́nh OLED kích thước nhỏ cho điện thoại di động hay máy ảnh (H́nh 8) [18]. Đặc điểm của transistor hữu cơ là có thể dùng ở điện áp thấp và tiêu hao ít năng lượng hơn transistor silicon. Đối với những dụng cụ điện tử cầm tay dùng pin transistor hữu cơ quả là một linh kiện lư tưởng. Công ty Samsung tiếp tục gia tăng độ lớn màn h́nh OLED cho tivi và máy tính, nhưng giá thành sản xuất màn h́nh này c̣n quá cao. Tivi với màn h́nh OLED 15 inch có giá bán $2,300 khi màn h́nh LCD chỉ là $200. DuPont sử dụng phương pháp in phun chế tạo các điểm sáng OLED giảm giá sản xuất. Gần đây, nhóm nghiên cứu của tiến sĩ Andrew Rinzler (University of Florida, Mỹ) sử dụng ống than nano trong transistor hữu cơ gia tăng tiềm năng sản xuất đại trà màn h́nh OLED kích cỡ lớn [19-20]. Như vậy, chúng ta sẽ sở hữu màn h́nh "toàn hữu cơ" vừa túi tiền, chất lượng tốt, có thể cuốn tṛn hay trang trí trên tường vào một ngày không xa.

H́nh 8:  Mặt trên và dưới của mạng transistor hữu cơ (16 x 16 đơn vị)
hỗ trợ cho màn h́nh OLED cỡ nhỏ (8 x 8 cm) được in chất nền polymer. 

6. Con thoi siêu phân tử

Kể từ lúc được phát minh với độ lớn vài cm đến transistor hiện đại có kích cỡ vài mươi nanomét, mô dạng của một transistor với ba chấu: nguồn, máng và cổng, vẫn không thay đổi theo thời gian. Những vật liệu bán dẫn hữu cơ đă được đưa vào transistor để thiết kế cổng logic cho mục đích thu nhỏ, giảm nhiệt, nhưng vẫn bị đóng khung trong mô dạng cổ điển. Ngoài những vướng mắc cơ bản của transistor ống nano, graphene hay polymer bán dẫn đă được đề cập ở trên, dùng vật liệu hữu cơ làm cổng logic nhưng vẫn duy tŕ mô dạng cũ được kích hoạt bởi ḍng điện chẳng qua là hội chứng "b́nh cũ rượu mới". Transistor cần phải thoát ly ra ngoài khuôn khổ này với một cấu trúc mới được vận hành bởi năng lượng ánh sáng (hay sóng điện từ). Ta hăy xem tiềm năng của con thoi siêu phân tử như một transistor không có "nguồn – cổng – máng". Và khi ta thoát ra được cái ṿng kim cô "nguồn - cổng – máng", ta sẽ không c̣n lo âu về sự phát nhiệt của chip

Siêu phân tử (supra-molecule) trong hóa học hữu cơ là một mô phỏng gần nhất của sự tự lắp ghép của phân tử sinh học mang những chức năng "sống" của một động cơ, biết xoay, biết di động hay biến h́nh gây ra bởi những kích thích từ ngoài [21]. Siêu phân tử là sản phẩm do sự tự lắp ghép giữa hai hay nhiều phân tử và chúng được nối kết bởi các lực liên phân tử. Hai cấu trúc động cơ phân tử quan trọng là: rotaxane và catenane [22] (H́nh 9). Thuật ngữ rotaxane được phối hợp từ hai chữ La-tin rota (bánh xe, wheel) và axis (trục, axle); và catenane từ chữ catena (dây xích, chain).

   

H́nh 9: H́nh minh họa rotaxane và catenane (a): Ṿng rotaxane di động tịnh tiến qua lại như con thoi; (b): Ṿng rotaxane quay quanh tại một điểm và (c): Hai ṿng của catenane, một ṿng quay, một ṿng cố định.

   

Ṿng của rotaxane có thể di chuyển tịnh tiến tới lui đến từng địa điểm trên cây trục như chiếc xe lửa dừng ở các trạm ga (H́nh 9a). Hai đầu của cái trục được gắn bởi nhóm phân tử to để chặn ṿng không bị tuột ra ngoài. Đây là chuyển động con thoi. Với cơ chế con thoi, rotaxane hành xử như là một công tắc đóng/mở (on/off) hay là 0/1 (không/có) trong nguyên tắc điều biến nhị phân (binary modulation). Có nghĩa là, khi chiếc ṿng dừng ở trạm thứ nhất ta có trạng thái "đóng" (hay là 0), ở trạm thứ hai, trạng thái "mở" (hay là 1). Rotaxane cho thấy tiềm năng sử dụng như một cổng logic đóng/mở của transistor. Có thể đây là tương lai của transistor ở cấp phân tử, một linh kiện điện tử lư tưởng cho các nhà thiết kế vi mạch và thiết kế chip vi tính hằng mơ ước. Hiện tại, các nhà hóa học có thể tổng hợp hàng triệu phân tử rotaxane trên một bề mặt tạo ra một tác động cơ học bằng cách cho chiếc ṿng di chuyển qua lại bằng phương pháp điện hóa [23] hay tia tử ngoại [24]. Transistor siêu phân tử sẽ là một sản phẩm nhân tạo theo cơ chế tự lắp ghép. Sự phát nhiệt từ transistor sẽ đi vào lịch sử. Máy tính phân tử sẽ có một bộ nhớ vĩ đại và năng suất 100 tỷ lần cao hơn máy tính hiện tại. Nếu suy luận qua độ lớn, ta sẽ có một máy vi tính to bằng hạt cát với năng suất 100 lần nhiều hơn máy tính mà người viết đang sử dụng.

Mặc dù c̣n vô số trở ngại kỹ thuật nhưng tham vọng của con người không chỉ dừng lại ở việc thu nhỏ transistor mà c̣n đi xa hơn một bước là việc thu nhỏ máy tính. Thu nhỏ đến mức nào? Theo lời của một chuyên gia vi tính Mỹ th́ "Giấc mơ cuối cùng không phải nhắm đến việc chế tạo máy tính tương lai có kích thước của một hạt bụi mà là một máy tính đơn giản có kích thước của một con vi khuẩn. Sau đó bạn có thể kết hợp lại để có một chiếc máy tính có kích thước một hạt bụi với sức mạnh tương đương với chiếc máy tính để bàn mà bạn đang sử dụng". Và xa hơn nữa là liên mạng của các máy tính hạt bụi thành một siêu máy tính. Đây cũng là một kỳ vọng mà các nhà khoa học đă phác họa cho máy tính của transistor siêu phân tử. Nó biểu hiện một sản phẩm của phương pháp tự lắp ghép "từ dưới lên", xuất phát từ việc kết hợp những đơn vị cơ bản để tạo ra một dụng cụ với chức năng mong muốn.

Nhưng, hiện nay transistor siêu phân tử chỉ là cấu tưởng hơn là hiện thực. Việc di chuyển con thoi được kích hoạt bằng phương pháp oxid hóa/khử (redox) hay thay đổi pH và như thế phải thực hiện trong dung dịch [23]. Và chip vi tính chất lỏng không phải là loại chip có nhiều ưu điểm. Ta có thể loại trừ được chất lỏng trong chip bằng cách dùng tia tử ngoại hay các loại sóng điện từ để kích hoạt cho sư di chuyển con thoi. Nhưng tốc độ dao động con thoi hay tốc độ đóng mở vẫn c̣n quá chậm so với nhu cầu của chip vi tính. Sự thoái hóa (degradation) hay lăo hóa của siêu phân tử dễ xảy ra khi tiếp cận với không khí hay dưới ảnh hưởng của nguồn sóng điện từ có năng lượng cao như tia tử ngoại. Một vướng mắc khác vẫn chưa được giải quyết là làm sao có thể nối kết hàng triệu, hàng tỷ siêu phân tử theo một trật tự nhất định để biến chúng thành một mạch tích hợp h́nh thành chip transistor phân tử. Nói cách khác, con người thành công trong bước thứ nhất của cơ chế tự lắp ghép các phân tử thành siêu phân tử nhưng phải dừng chân ở bước thứ hai kế tiếp trong cái tôn ti tự lắp ghép vẫn c̣n cao ngất ngưởng. 

Thiên nhiên có nhiều tài năng hơn con người. Ư tưởng của vị chuyên gia người Mỹ không có ǵ mới khi ta quan sát các cơ cấu hành xử sinh học trong ta, xung quanh ta. Ư tưởng này chẳng qua là sự mô phỏng của bộ năo dày đặc những nối kết của các tế bào năo (neuron). Bộ năo con người có thể xem như một "cực siêu" máy tính làm bằng nguyên tố carbon. Y học ngày nay vẫn chưa hiểu rơ cơ cấu các chức năng của bộ năo như suy luận, kư ức, ghi nhớ, ư thức, cảm xúc, quyết định, học tập, tiến hóa, tích trữ kinh nghiệm, những chức năng mà con người hiện đại chưa dám mơ cho chiếc máy tính silicon của ḿnh. Nếu so sánh tế bào năo như một transistor th́ có phần khập khiễng v́ hành xử của tế bào năo vốn đă mang tính chất của một chiếc máy tính đơn giản. Bộ năo con người có 100 tỷ (11 con số 0 sau số 1) tế bào và liên thông với nhau bằng con số thiên hà, 100.000 tỷ (14 số 0 sau số 1) nối kết, tạo nên một mạng lưới sinh học với sức mạnh xử lư khổng lồ đầy bí ẩn vẫn chưa được y học hiện đại giải mă. Một tế bào năo không làm được ǵ nhiều, nhưng "ba cây chụm lại nên ḥn núi cao". Vài trăm tế bào năo kết hợp lại tạo nên một trung khu thần kinh thô sơ có thể biến một vật có biểu hiện "sống" như điều khiển con giun ḅ, cảm nhận, sinh sản.

Tiếc rằng, như đă đề cập ở trên khả năng hiện tại con người nhiều lắm chỉ có thể tạo ra cơ chế tự lắp ghép ở mức nanomét và một tập hợp hỗn độn của các siêu phân tử. Không đi xa hơn. Việc mô phỏng bộ năo làm máy tính cực siêu chỉ là một sản phẩm của trí tưởng tượng đầy phóng túng của con người.

7. Con cù nguyên tử

Trong một hướng thực tế hơn, một số lớn các nhà vật lư tầm cỡ chạy đua trong công tŕnh nghiên cứu chế tạo máy tính lượng tử dùng nguyên tử như một "transistor". Trong luồng tư duy "thu nhỏ", gia tăng tốc độ xử lư cũng như khát vọng thoát khỏi cái tṛng "nguồn - cổng – máng" của thiết kế transistor đương đại, các nhà khoa học nh́n vào đặc tính của nguyên tử.

Nguyên tử quay (spin) như con cù. Khi nguyên tử quay theo chiều kim đồng hồ (spin lên ↑)  có thể được dùng để chỉ con số logic 0, và spin khi quay ngược chiều kim đồng hồ (spin xuống ¯) chỉ số logic 1. Khi spin lật, chẳng hạn như khi hấp thụ ánh sáng, spin đang quay theo chiều kim đồng hồ (số logic 0) sẽ chuyển sang spin quay ngược chiều kim đồng hồ (số logic 1), spin lên thành spin xuống, 0 trở thành 1, và ngược lại. Đây là một cơ năng của thiên nhiên có từ thuở khai thiên lập địa nhưng khi ta nh́n theo quan điểm tin học hiện đại, th́ đó chẳng qua là động tác chuyển hoán nhị phân đóng/mở của một transistor mà chúng ta dùng để xử lư thông tin khi dàn dựng máy tính.

Tuy nhiên, ta không thể so sánh sự chuyển hoán lên xuống của spin với động tác đóng/mở (sự chuyển hoán qua lại giữa 1 và 0) rạch ṛi của transistor v́ khi chúng ta lạc vào thế giới vi mô của nguyên tử và vi hạt th́ những hiện tượng "kỳ quặc" lượng tử xuất hiện đi ngược với những trải nghiệm của thế giới vĩ mô đời thường. Tính chất nhị nguyên "vừa sóng vừa hạt" của vật chất, tính bất định của Heisenberg là hai cột trụ của cơ học lượng tử thống trị thế giới vi mô. Trong lịch sử vật lư học, cơ học lượng tử là kẻ sanh sau đẻ muộn nhưng lại có tư duy cách mạng gần như "nổi loạn". Nó phủ nhận những điều mà người ta đă chấp nhận và trải nghiệm trong thế giới quan đời thường. Thí dụ, khi một quyển sách nằm trên bàn th́ nó 100 % trên bàn, không thể nào vừa trên bàn lại vừa ngoài sân. Nhưng khi quyển sách thu nhỏ đến kích cỡ của nguyên tử hay nhỏ hơn nó có thể cùng một lúc hiện hữu nhiều nơi khác nhau theo tính xác xuất, nghĩa là vài phần trăm chỗ này, vài chục phần trăm chỗ kia. Tương tự, spin của nguyên tử không có trị số dứt khoát 100 % là 1 hay 0 như ta thường biết trong tác động đóng mở nhị phân của transistor mà là sự chồng chập giữa hai trạng thái. Trạng thái spin của nguyên tử có thể là 25 % spin lên và 75 % spin xuống hoặc vô số những tỷ lệ đóng góp khác nhau của spin lên và spin xuống. Nhưng cũng nhờ cái "mơ hồ" lượng tử này [H́nh 10] những con cù nguyên tử có thể tàng trữ một lượng thông tin to lớn và tốc độ xử lư siêu việt so với máy tính transistor.

 

   

H́nh 10: Chàng: " Em Alice ui... Em chính là người của anh rồi". Nàng: "Nhưng anh Bob à... trong thế giới lượng tử làm sao ḿnh biết được chắc chắn, hở anh?".

   

Khi nói đến tốc độ xử lư, người ta thường đưa ra thí dụ phép phân tích thừa số của một con số, chẳng hạn như thừa số của số 15 là 3 và 5 (15 = 3 x 5). Thời gian t́m thừa số cho những con số nhỏ như 15 chỉ là cái tích tắc trên máy tính thông thường nhưng khi ta phải t́m thừa số của một con số chứa 200 con số th́ thời gian cho máy tính t́m giải đáp sẽ là 100 năm. Nhưng thời gian 100 năm sẽ thu ngắn c̣n vài phút khi ta sử dụng máy tính lượng tử. Chip lượng tử chưa hẳn nhỏ hơn chip transistor silicon nhưng từ thí dụ này chúng ta thấy ngay sự siêu việt của máy tính lượng tử với tốc độ xử lư cực nhanh, cho giải đáp vài chục triệu lần nhanh hơn máy tính thông thường nhờ vào sự chồng chập lượng tử giữa spin lên và spin xuống.

Tốc độ xử lư nhanh dị thường của máy tính lượng tử trở thành một vũ khí lợi hại của "chiến tranh thông tin" và "chiến tranh gián điệp", một loại chiến tranh mà 2,500 năm trước chiến lược gia Tôn Tử đă đề cập "Đại phàm cái phép dụng binh, làm cho cả nước địch khuất phục trọn vẹn là thượng sách, đánh nó là kém hơn. Thế nên bách chiến bách thắng cũng chưa phải cách sáng suốt trong sự sáng suốt. Không cần đánh mà làm kẻ địch khuất phục mới gọi là sáng suốt nhất trong sự sáng suốt". Một trong những cách "không đánh mà thắng" ở thế kỷ 21 nói một cách cụ thể là cách bẻ khóa vi tính đi vào các kho chứa dữ liệu cực mật làm tê liệt khả năng chiến đấu của đối phương. Chẳng hạn, cái khóa của đối phương có thể là 2 thừa số của một số có 200 con số. Như đề cập ở trên, giải mă 2 thừa số của một số có 200 con số là việc làm trong 100 năm của máy tính thông thường nhưng chỉ là vài phút trong máy tính lượng tử. Máy tính điện tử rồi đây sẽ là một công cụ "nóng" của các cơ quan t́nh báo trên thế giới. Các chuyên gia phản gián và an ninh quốc pḥng sẽ rón rén đi qua những ngơ ngách "lượng tử" đua nhau nh́n trộm chôm nhẹ qua khe hở "lượng tử" rồi âm thầm rút lui.

Việc thực hiện cụ thể của máy tính lượng tử là một đề án táo bạo và hấp dẫn. Đề án đă và đang thu hút rất nhiều kinh phí từ chính phủ và đầu tư từ doanh nghiệp. Nó sẽ là biểu hiện của sự thành công tột đỉnh trong ứng dụng đời thường của cơ học lượng tử và của nền vật lư hiện đại. Người chế tạo không những có nhiều khả năng đoạt giải Nobel mà c̣n là người giàu nhất hành tinh có tên tuổi vượt cả Bill Gate lẫn Steve Jobs. Do đó, đây là một cuộc chạy đua thực sự nghiêm túc mang tính toàn cầu, những trung tâm nghiên cứu vi tính lượng tử từ lâu đă đi vào hoạt động tại Mỹ, châu Âu, Nhật Bản, Úc, thậm chí cả Trung Quốc, Ấn Độ và Hàn Quốc.

Năm 2009, nhóm nghiên cứu Schoelkopf tại đại học Yale tuyên bố chế tạo thành công chip lượng tử chứa vài chục tỷ nguyên tử nhôm [25]. Các nguyên tử sắp hàng theo một thứ tự và quay như con cù trong chip. Khi ta kích hoạt bằng một cái chớp sáng, độ thứ tự thay đổi và có một số nguyên tử chuyển biến trạng thái quay (spin). Như vậy, chip đă làm cho ta một con tính hay xử lư một dữ liệu. Giống như Ali Baba đọc câu thần chú "Úm ba la, Sesame hăy mở cánh cửa đá cho ta", ta gọi các nguyên tử bằng sự kích hoạt, "Hỡi các nguyên tử thân yêu, các nàng hăy làm con toán này cho ta", và khi ta kích hoạt đúng chỗ đúng liều các nàng nguyên tử sẽ thỏ thẻ trả lời và t́m giải đáp bằng con đường nhanh nhất.

Nhưng chip của nhóm Schoelkopf vẫn không phải là chip lượng tử đầu tiên. Năm 2007, công ty D-Wave Systems (Canada) tuyên bố với thế giới là họ đă chế tạo thành công máy tính lượng tử đầu tiên. Gần đây (2011) công ty này đă bán chiếc máy tính lượng tử đầu tiên cho tập đoàn nổi tiếng Lockheed Martin (Mỹ). Mặc dù D-Wave đă cho đăng một bài báo cáo hàn lâm trên tạp chí Nature [26] để chứng minh bản chất lượng tử của chiếc máy, cộng đồng nghiên cứu vi tính lượng tử vẫn nghi ngờ D-Wave "treo đầu heo bán thịt chó" (nguyên văn: "peddle snake oil", nghĩa là "bán đồ rởm"). Một trong những lư do tạo ra sự nghi ngờ và cũng là lư do làm tŕ trệ sự phát triển và phổ cập của máy tính lượng tử là chip phải đặt trong hệ thống cô lập cao độ và nhiệt độ hoạt động chỉ ở vài phần ngàn độ trên zero tuyệt đối (-273 °C). Ta phải nâng niu các nàng nguyên tử, cưng như trứng, đặt các nàng trong pḥng the cô lập đầy đủ tiện nghi, không ai quấy rầy. Nếu không, những tác động của môi trường xung quanh và sự dao động nhiệt sẽ làm náo động cái trật tự mong manh và phá vỡ trạng thái spin phức tạp của các nguyên tử. Như vậy chỉ cần môi trường nóng lên một chút, pḥng thí nghiệm rung nhẹ v́ chiếc xe tải vừa mới chạy qua hay thậm chí một tia vũ trụ lang thang vô t́nh đi xuyên qua chip, sự tính toán lượng tử sẽ sụp đổ và trở nên vô nghĩa. D-Wave có thực sự đă thỏa măn được điều kiện cô lập và nhiệt độ gần như tuyệt đối cho máy tính của ḿnh hay không? Thông tin này chưa được tiết lộ.

Dù sao đi nữa, theo chiều hướng phát triển hiện nay không sớm th́ muộn con người sẽ sở hữu máy tính lượng tử với tốc độ xử lư siêu việt. Nhưng gần đây trong thế giới sinh học người ta phát hiện ra nhiều bằng chứng cho thấy thiên nhiên từ lúc tạo thiên lập địa gần 4 tỷ năm trước đă biết làm thuật toán lượng tử [27-28]. Một thí dụ điển h́nh là phản ứng quang hợp trong khuẩn lưu huỳnh xanh (green sulphur bacteria) biến năng lượng mặt trời thành hóa năng để cung cấp năng lượng cho sự trao đổi chất (metabolism) duy tŕ sự sống [29]. Người ta đo được hiệu suất chuyển hoán từ năng lượng mặt trời thành hóa năng trong vi khuẩn đạt đến 99 % [27]. Một hiệu suất kinh ngạc đến sững sờ v́ chưa bao giờ có dụng cụ hay bộ máy chuyển hoán nhân tạo nào có thể đạt đến con số tương đương. Cũng như máy tính lượng tử giải mă được 2 thừa số của một số chứa 200 con số trong vài phút, vi khuẩn "biết" thực hiện phép tính toán lượng tử cơ bản để vận chuyển năng lượng mặt trời đến các trung tâm phản ứng trong thời gian nhanh nhất. Đây là nguyên nhân của hiệu suất 99 % và vi khuẩn hành xử như một máy tính lượng tử.

Ngoài ra, một khảo sát khác khiến cho các nhà vật lư sửng sốt là trong khi máy lượng tử nhân tạo phải hoạt động trong một môi trường cô lập và ở nhiệt độ gần zero tuyệt đối th́ "máy tính" vi khuẩn thoải mái thực hiện thuật toán lượng tử trong một môi trường nóng và ướt và liên thông với môi trường xung quanh. Khuẩn lưu huỳnh xanh quả là một máy tính lượng tử lư tưởng đáp ứng mọi yêu cầu về tốc độ, kích cỡ và sự tiện nghi (hoạt động trong môi trường ẩm nóng) của người tiêu dùng. Thiên nhiên dường như biết nhiều thủ thuật vật lư vượt trội hơn những bộ óc thông thái nhất của loài người.

8. Lời kết

Hơn nửa thế kỷ trước (1959), Richard Feynman, một trong những nhà vật lư tài ba, hào hoa và sáng tạo nhất của thế kỷ 20, đă từng mô tả tiềm năng chế tạo những động cơ phân tử trong bài thuyết tŕnh nổi tiếng "There's plenty of room at the bottom" (Có rất nhiều chỗ trống ở miệt dưới). Phương thức chế tạo những động cơ tí hon chẳng qua là nguyên tắc "từ dưới lên" của công nghệ nano. Đây là một giấc mơ vĩ đại của các nhà khoa học và nền công nghệ nano trong tương lai sẽ có cơ may ngạo nghễ đứng trên đỉnh cao của trí tuệ loài người. Đến năm 1982, Feynman lại đưa ra một ư tưởng táo bạo khác là khả năng chế tạo máy tính dựa vào những nguyên lư của cơ học lượng tử. Những dự đoán thiên tài của Feynman không phải là sự tưởng tượng tùy hứng của nhà văn viết truyện khoa học viễn tưởng mà là những suy luận được gắn bó chặt chẽ với các định luật vật lư. Tầm nh́n vượt thời gian của Feynman là một dự phóng cho máy tính và những công cụ điện tử cho một trăm năm tới.

Đúng như dự đoán của Feynman, công nghệ nano xuất hiện và phát triển gần 30 mươi năm qua. Việc tổng hợp các chất hữu cơ bán dẫn càng lúc càng phong phú thúc đẩy việc truy t́m một vật liệu hữu cơ nhằm thay thế silicon trong transistor đă đạt được một thành công nhất định. Nhưng các loại transistor hữu cơ hiện tại kể cả transistor ống than nano và graphene chưa đáp ứng được nhu cầu vừa thu nhỏ vừa gia tăng tốc độ xử lư của chip để thay thế transistor silicon và tiếp tục duy tŕ định luật Moore cho máy tính tương lai. Hơn nữa, phương pháp "từ dưới lên" - một phương pháp của công nghệ nano - thông qua cơ chế tự lắp ghép vẫn c̣n quá sơ khai để chế tạo ra mạch tích hợp của transistor hữu cơ có sức mạnh tương đương với chip silicon hiện tại. 

Dù không thay thế được transistor silicon nhưng sự phát triển của transistor hữu cơ vô t́nh hay cố ư đă mở ra một sân chơi mới và trở thành nền tảng cho "khu vực nhu ḿ" [30] của công nghiệp điện tử mà những sản phẩm mềm mại dần dà xuất hiện trên thương trường và nhẹ nhàng đi vào đời sống của con người. Kỹ thuật in phun chế tạo vi mạch của các linh kiện hữu cơ là một phương pháp hiệu quả và ít tốn kém. Dù có thô thiển khi so với li-tô quang của công nghệ silicon, phương pháp này sẽ thành h́nh các sản phẩm điện tử hữu cơ mỏng, mềm, nhẹ, gọn và rẻ hơn và thậm chí có thể dùng một lần (disposable). Trong tương lai điện thoại di động, laptop, máy ảnh sẽ được cuốn tṛn đeo vai hay gấp lại bỏ túi.

Mặt khác, theo chiều hướng công nghệ nano các nhà hóa học đă tổng hợp các con thoi phân tử để thực hiện giấc mơ tạo ra những chiếc máy tính to bằng hạt cát. Bước xa hơn là nối kết các máy tính "hạt cát" như thiên nhiên đă chồng chập, nối kết các tế bào năo để tạo thành các mạng tế bào phức tạp của bộ năo sinh vật. Ôi, con người thật đầy tham vọng nhưng con người vẫn chưa có một phương pháp "từ dưới lên" đầy uy lực như thiên nhiên khả dĩ thực hiện giấc mơ táo bạo của ḿnh. Máy tính với kích cỡ của hạt bụi chỉ là một viễn tượng mong manh hơn là một hiện thực trong tầm tay. Nó nằm đâu đó giữa khoa học thật và khoa học viễn tưởng.

Máy tính lượng tử của công ty D-Wave dù thật hay "rởm" nhưng nó cho thấy những thành quả cụ thể của các công tŕnh nghiên cứu về vi tính lượng tử trong một thập niên qua và nỗ lực biến máy tính lượng tử thành một công cụ thực dụng. Dự đoán thiên tài của Feynman một lần nữa đă được thực chứng. Nhiều ư kiến cho rằng trong những lư thuyết vật lư được phát hiện trong 100 năm qua, lượng tử là một hệ thống lư luận "ngớ ngẩn" nhất. Đă có nhiều khoa học gia kể cả thiên tài Einstein đă ngờ vực những điều "ngớ ngẩn", phản trực giác của khái niệm lượng tử và công khai thách thức lư thuyết này trước cộng đồng khoa học. Kể từ lúc được khai sinh cho đến ngày nay, lượng tử là một đề tài tranh luận liên tục giữa các nhà khoa học và đă có nhiều lư luận được đưa ra ḥng đánh sập lư thuyết này. Nhưng cơ học lượng tử vẫn đứng vững trước những phong ba băo táp và kỳ diệu thay cứ mỗi lần hứng chịu những thử thách th́ nó lại minh chứng sự chính xác không thể tranh căi của ḿnh và lại tiến thêm một bước mới trong ứng dụng. Máy tính lượng tử là một chứng cớ điển h́nh.

Feynman nếu c̣n sống chắn hẳn sẽ rất cao hứng trước những hiện thực xảy ra đúng như lời tiên đoán của ḿnh. Einstein nếu hồi sinh th́ có lẽ ông sẽ rút lại câu nói bất hủ "Thượng đế không chơi tṛ xí ngầu". Tột đỉnh ứng dụng của cơ học lượng tử sẽ là chiếc máy tính với những con cù transistor nguyên tử. Con người sẽ bước sang trang và tiến đến thời đại mới của công nghiệp điện tử với những công cụ có tiềm năng gần như vô hạn. Nhưng, những tiềm năng đó không có ǵ lạ đối với Mẹ thiên nhiên. Cả hai thiên tài Einstein và Feynman sẽ rất ngạc nhiên trước những con vi khuẩn biết tuân thủ các định luật vật lư và dùng thuật toán lượng tử trong quang hợp. Có lẽ để hoàn thiện máy tính lượng tử con người phải học hỏi rất nhiều từ những vi khuẩn quang hợp, thế giới thực vật và đám rong rêu đầm lầy. Cũng không chừng, cơ cấu hành xử của bộ năo sinh vật kể cả con người cũng đang bị ảnh hưởng của thuyết lượng tử; các tế bào năo cùng làm những thuật toán lượng tử để t́m giải đáp và cách ứng xử qua những hành động thông minh trong tích tắc.

Mẹ thiên nhiên là một khoa học gia siêu phàm vượt thời gian. Con người chỉ lập lại những điều Mẹ thiên nhiên đă làm hàng tỷ năm qua và như một Tôn Ngộ Không rắp tâm nhảy qua núi Ngũ Hành nhưng cuối cùng vẫn rơi tơm vào bàn tay của Phật.

Cuối tháng 6, 2011

(Đă đăng trên diendan.org)

 

Tài liệu tham khảo và ghi chú  

  1. Trương Văn Tân, "Transistor: Nhân tố của một cuộc cách mạng (phần 1)".

  2. S. Frank, P. Poncharal, Z. L. Wang and W. A. de Heer, Science, 280 (1998) 1774.

  3. P. Poncharal, C. Berger, Y. Yi, Z. L. Wang and W. A. de Heer, J. Phys. Chem. B, 106 (2002) 12104.

  4. A. Javey, J. Guo, D. B. Farmer, Q. Wang, D. W. Wang, R. G. Gordon, M. Lundstrom, and H. J. Dai, Nano Lett., 4 (2004) 447.

  5. X. Liang, S. Wang, X. Wei, L. Ding, Y. Zhu, Z. Zhang, Q. Chen, Y. Li, J. Zhang and L.-M. Peng, Adv. Mater., 21 (2009) 1339.

  6. B. L. Allen, P. D. Kichambare and A. Star, Adv. Mater., 19 (2007) 1439.

  7. Ph. Avouris, Z. Chen and V. Perebeinos, Nature Nanotechnology, 2 (2007) 605.

  8. Ph. Avouris and R. Martel, MRS Bulletin, 35 (April 2010) 306.

  9. J. Appenzeller, Proceedings of the IEEE, 96 (2008) 201.

  10. A. A. Green and M. C. Hersam, Adv. Mater., 23 (2011) 2185.

  11. K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva and A. A .Firsov, Science, 306 (2004) 666.

  12. G. Horowitz, Adv. Mater., 10 (1998) 365.

  13. A. L. Briseno, S. C. B. Mannsfeld, S. A. Jenekhe, Z. Bao and Y. Xia, Materials Today, 11 (April 2008) 38.

  14. D.-M. Sun, M. Y. Timmermans, Y. Tian, A. G. Nasibulin, E. I. Kauppinen, S. Kishimoto, T. Mizutani and Y. Ohno, Nature Nanotechnology, 6 (2011) 156.

  15. Z. Yin, Y. Huang, N. Bu, X. Wang and Y. Xiong, Chinese Sci. Bull., 30 (2010) 3383.

  16. "The future of microelectronics – Silicon continues to reign supreme", Materials Today, 6 (June 2006).

  17. B. Y. Lee, M. G. Sung, H. Lee, S. Namgung, S. Y. Park, D. S. Choi and S. Hong, NGP Asia Materials, 2 (2010) 103.

  18. T. Sekitani and T. Someya, Adv. Mater., 22 (2010) 2228.

  19. M. A. McCarthy, B. Liu, A. G. Rinzler, Nano Lett., 10 (2010) 3467.

  20. B. Liu, M. McCarthy, Y. Yoon, D. Kim, Z. Wu, F. So, P. H. Holloway, J. R. Reynolds, J. Guo and A. G. Rinzler, Adv. Mater., 20 (2008) 3605.

  21. V. Balzani, A. Credi and M. Venturi, "Molecular devices and machines" 2nd edition, Wiley-VCH Verlag, Weinheim, 2008.

  22. V. Balzani, A. Credi and M. Venturi, Nano Today, 2 (April 2007) 18.

  23. T. J. Huang et al, Appl. Phys. Lett., 85 (2004) 5391.

  24. J. Berná et al, Nature Mater., 4 (2005) 704.

  25. L. DiCarlo, J. M. Chow, J. M. Gambetta, Lev S. Bishop, B. R. Johnson, D. I.Schuster, J. Majer, A. Blais, L.Frunzio, S. M. Girvin, and R. J. Schoelkopf, Nature, 460 (2009) 240.

  26. M . W . Johnson et al, Nature 473 (2011) 194.

  27. S. Lloyd, "A quantum of natural selection", Nature Physics, 5 (2009) 164.

  28. P. Ball, "The dawn of quantum biology", Nature, 474 (2011) 272.

  29. Phản ứng quang hợp là quá tŕnh chuyển hóa năng lượng mặt trời thành hoá năng (thường ở dạng đường (sugar)) trong lá thực vật, rong rêu và một số vi khuẩn. Sự va chạm của tia photon của ánh sáng mặt trời vào lá, rong rêu hay vi khuẩn, sản sinh ra các hạt exciton. Giống nhưng một ḍng nước bắn vào mặt đường, sau khi va chạm những hạt nước văng tung toé. Ḍng nước là tia photon và hạt bắn ra là exciton. Hạt exciton là cặp kết hợp giữa electron/lỗ (hole), electron mang điện tích âm và lỗ mang điện tích dương. Hạt exciton có nhiệm vụ tải năng lượng mặt trời tiến về phía trung tâm phản ứng, nơi này phản ứng sinh hóa sẽ xảy ra để chuyển hóa năng lượng chứa trong exciton thành hóa năng. Hóa năng là nguồn năng lượng dùng cho sự biến đổi chất (metabolism) trong thực vật, rong rêu, vi khuẩn để duy tŕ sự sống. Trong khuẩn lưu huỳnh xanh, một điều kinh ngạc là 99 % exciton tức thời t́m ra trung tâm phản ứng, nghĩa là 99 % năng lượng mặt trời được tải đến trung tâm phản ứng trong tích tắc. Đây là một hiệu suất chuyển hoán cực kỳ lư tưởng không thể xảy ra trong các bộ máy nhân tạo. Việc t́m trung tâm phản ứng trong một cấu trúc sinh học phức tạp như khuẩn lưu huỳnh xanh là việc ṃ kim đáy biển. Tuy nhiên, dưới tác động "kỳ quặc" lượng tử exciton như bóng ma có thể chiếm cứ nhiều điểm trong cùng một cấu trúc. Cái khả năng "cảm" được toàn thể cấu trúc cùng một lúc cho phép exciton t́m con đường để tiến đến mục tiêu của nó trong thời gian ngắn nhất.

  30. "Trăm năm để lại những ǵ.
    Ấy là khu vực nhu ḿ của em"

    (thơ Bùi Giáng).

 

 


(*) Anh Trương Văn Tân sinh quán tại tỉnh Sa Đéc, cựu học sinh trường trung học Sa Đéc và Tống Phước Hiệp (Vĩnh Long). Anh Tân đến Nhật cuối năm 1969. Anh tốt nghiệp  Bachelor Eng. (1975), Master Eng. (1977) trường Tokodai (Tokyo Institute of Technology) và PhD (1980, University of Adelaide, Úc).
Anh Tân hiện làm việc tại Viện Khoa Học và Công Nghệ Quốc Pḥng (Defence Science and Technology Organisation) trực thuộc Chính Phủ Liên Bang Úc. Anh chuyên về Vật Liệu Học và hiện nghiên cứu về polymers dẫn điện và ống nano carbon. Anh đă công bố gần 70 bài báo cáo khoa học trên các tạp chí khoa học quốc tế. Xem thêm những bài viết của anh Trương Văn Tân trên ERCT


Cảm tưởng xin gởi về :  vantantruong@hotmail.com

© "Khi phát hành lại bài này V 2.0 cần phải có sự đồng ư của tác giả 
và ghi rơ nguồn lấy từ www.erct.com"