Vật lí chất rắn và Công nghệ
Các nhà vật lí và kĩ sư đã nhìn thấy trước tác động của transistor ngay khi nó được phát minh ra vào năm 1948 tại Phòng thí nghiệm Bell, nhưng mãi cho đến giữa thập niên 1950 thì nó mới đi vào cuộc sống thường nhật của mọi người. Vì lí do đó, và vì thập niên 1940 bị át trội bởi chiến tranh và sắc động lực học lượng tử, nên phần trình bày về nghiên cứu dẫn đến transistor gác lại cho đến chương này.
Vào đầu những năm 1950, chỉ vài ba người nằm ngoài giới khoa học và công nghiệp điện tử từng nghe nói tới transistor. Những người quen thuộc với công nghệ hiểu rằng transistor sẽ bắt đầu thay thế cho các ống chân không trong mọi loại dụng cụ điện tử. Radio ống chân không có kích cỡ chừng bằng cái lò nướng bánh hiện đại, và ti vi thì nằm trong những cái hộp dài chừng vài foot, cao và rộng ít nhất chừng 2 foot. Máy vi tính thì lớn như phòng ở. Chúng đều chứa đầy bên trong những ống chân không có dây tóc lóe sáng cháy lên đều đặn giống như các bóng đèn.
Điều đó bắt đầu thay đổi vào tháng 11 năm 1954, khi công ti Regency bắt đầu bán ra sản phẩm radio bỏ túi TR-1 có transistor thay cho ống chân không với giá 49,95 USD, cỡ bằng số tiền trung bình một người công nhân kiếm được trong một tuần. Trong vòng vài năm, các nhà sản xuất đã học được những cách sản xuất transistor với chi phí thấp hơn nhiều. Những máy radio transistor buổi đầu phổ biến đến mức vào đầu những năm 1960, từ transistor hầu như trở nên đồng nghĩa với “radio bỏ túi”. Người ta nói tới việc nghe “transistor” của họ. Mười năm sau đó, ống chân không không còn được sản xuất nữa, ngoại trừ dùng trong thiết bị chuyên dụng.
Vào cuối những năm 1950, đa số mọi người đã biết rằng transistor đang thay thế ống chân không trong các bộ ti vi, nhưng ít người biết về một sự biến đổi đáng kể hơn nhiều trong ngành công nghệ chất rắn. Với transistor thay thế cho ống chân không, các máy vi tính nhanh chóng đòi hỏi ít năng lượng cấp và bảo dưỡng hơn, chạy nhanh hơn nhiều, và có nhiều khả năng hơn. Cuộc cách mạng số đã bắt đầu.
Như đã lưu ý, William Shockley, Walter Brattain, và John Bardeen cùng nhận giải Nobel vật lí 1956 cho việc phát minh ra transistor khi họ đều đang làm việc tại Phòng thí nghiệm Bell. Nhưng lúc họ đi Stockholm nhận giải, họ không còn chung một đội nữa. Bardeen đã trở thành giáo sư tại trường đại học Illinois, và chuyến đi đã làm gián đoạn nghiên cứu của ông cùng với hai người học trò, Leon Cooper (1930– ) và J. Robert Schrieffer (1931– ), khi họ đang ở bên bờ khai phá một trong những bài toán xưa nhất và quan trọng nhất trong ngành vật lí chất rắn, đó là cơ chế của sự siêu dẫn.
 |
| Các nhà phát minh ra transistor (từ trái sang phải): John Bardeen, William Shockley, và Walter Brattain trong phòng thí nghiệm. (Ảnh: AIP Emilio Segrè Visual Archives) |
Bardeen luôn theo đuổi những dự án vừa thách thức về mặt lí thuyết, vừa quan trọng về mặt thực tiễn. Trong số những thứ ông say mê nhất là cái gọi là bài toán nhiều vật, và không có lĩnh vực con nào của vật lí học lại đòi hỏi phân tích nhiều vật sáng tạo hơn vật lí chất rắn. Có lẽ nhiều hơn bất kì khoa học nào khác, vật lí học phụ thuộc vào các mô hình toán học để biểu diễn và mô tả những hiện tượng tự nhiên. Các nhà vật lí thường bắt đầu bởi việc lưu ý mối liên hệ toán học trong một tập hợp phép đo. Sau đó, họ đi tìm những nguyên tắc vật lí cơ bản để giải thích chúng.
Chuyển động hành tinh là một thí dụ căn bản. Johannes Kepler lưu ý thấy ba mối liên hệ toán học hay “định luật” áp dụng cho quỹ đạo của các hành tinh. Lời giải thích vật lí xuất hiện hàng thập kỉ sau đó từ ngài Isaac Newton. Các định luật của ông về chuyển động và hấp dẫn đã tạo ra các công thức Kepler là một hệ quả. Các định luật Newton suy ra các phương trình chính xác của Kepler chỉ là một trường hợp đặc biệt, đó là sự tương tác của hai vật như Mặt trời và một hành tinh. Hệ mặt trời thật sự có nhiều hơn một hành tinh, và việc tính toán trọn vẹn sự chuyển động của chúng thì phức tạp hơn nhiều. Mỗi hành tinh có tác động lên nhau, và quỹ đạo thu được hơi bị lệch khỏi dự đoán của Kepler. Vì các hành tinh nhỏ hơn Mặt trời nhiều lần, nên những sai lệch đó là nhỏ và không được lưu ý cho đến khi có những công cụ đo chính xác hơn. Như vậy, phép phân tích hai vật, chứ không phải nhiều vật, lúc đầu như thế là đủ.
Một tình huống tương tự phát sinh trong vật lí lượng tử. Các nhà vật lí đã để ý đến khuôn mẫu toán học trong quang phổ hydrogen (thí dụ dải phổ Balmer). Thuyết lượng tử ban đầu xem nguyên tử hydrogen là một hệ hai vật (một proton và một electron), và các phép tính mang lại sự phù hợp tốt đặc biệt cho quang phổ thu được. Nhưng chuyển từ hydrogen sang những nguyên tử lớn hơn, cơ học lượng tử cần phải mô tả trạng thái của nhiều electron. Các phép tính trở nên càng phức tạp.
Khi đối mặt trước tính phức tạp, các nhà vật lí thường tìm sự gần đúng. Trong trường hợp này, đối với mỗi electron trong một nguyên tử nhiều electron, họ lấy trung bình lực đẩy điện từ tất cả electron và xem đó là một nhiễu loạn – một hiệu chỉnh thứ yếu – đối với lực hút điện của hạt nhân. Nói cách khác, họ thay phép toán hệ nhiều vật bằng một tập hợp những phép toán hai vật cho mỗi electron tương tác với một hạt nhân bị biến đổi. Điều đó làm cho các phép toán dễ thao tác hơn và mang lại những kết quả khá không chính xác – nhưng hết sức có ích. Nó có tác dụng vì một electron trong nguyên tử chịu một lực át trội từ phía hạt nhân và nhiều lực nhỏ hơn từ những electron khác.
Toán học nhiều vật trở nên phức tạp hơn nhiều khi không có một lực át trội nào. Thí dụ, những electron nhất định trong một chất rắn tương tác với nhiều hơn một hạt nhân, nên việc tính toán các trạng thái lượng tử và các mức năng lượng của chúng đòi hỏi những phép tính nhiều vật cải tiến. Phân tích đó mang lại ba loại hàm sóng electron khác nhau. Loại thứ nhất là đối với những electron liên kết với một nguyên tử, ví dụ những electron thuộc lớp vỏ đã lấp đầy. Hàm sóng và mức năng lượng tương ứng của chúng có thể tính toán ra từ mô hình bài toán hai vật chỉ gồm một electron và hạt nhân của nó. Hàm sóng cho một electron như vậy tập trung xung quanh quỹ đạo của nó trong nguyên tử mà nó thuộc về đó.
Những electron trong những liên kết hóa học có loại hàm sóng thứ hai. Những hàm sóng đó có thể tính ra từ mô hình toán học liên quan đến một số ít vật – các electron tham gia trong liên kết cộng với hạt nhân nguyên tử mà chúng kết hợp chung. Hàm sóng thu được tập trung trong vùng các liên kết, như mô tả trong phần bổ sung “Các mức năng lượng và hàm sóng electron chất rắn” ở trang sau. Những electron đó có các mức năng lượng nằm trong dải hóa trị, đã mô tả ở chương 4. Phần bổ sung đó cũng mô tả loại hàm sóng electron thứ ba, tương ứng với các mức năng lượng trong dải dẫn (như đã mô tả trong chương 4). Các electron dẫn thuộc về mọi nguyên tử như nhau. Do đó, hàm sóng của chúng tăng và giảm giống như sóng nổi trên một đại dương vô hạn, với hình dạng đỉnh sóng và hõm sóng phù hợp với dạng tinh thể của nguyên tử trong chất rắn.
Khi các nhà vật lí cất công tìm hiểu những tính chất của chất rắn, vấn đề trở nên rõ ràng là nhiều hiện tượng – trong số chúng có sự dẫn nhiệt và điện; sự phản xạ, truyền, và hấp thụ ánh sáng; và hành trạng từ tính của vật liệu – có liên quan đến các electron. Nguyên lí loại trừ Pauli yêu cầu mỗi electron có một trạng thái lượng tử duy nhất và một mức năng lượng tương ứng duy nhất, hoặc ở bên trong lớp vỏ chứa đầy của một nguyên tử, là bộ phận của một liên kết hóa học với mức năng lượng của nó nằm trong dải hóa trị, hoặc là một electron tự do với mức năng lượng nằm trong dải dẫn.
(Còn tiếp nhiều kì)
