Phần 3 trong series Cơ học lượng tử.

Hãy dừng lại chỉ một giây và nhìn vào màn hình của thiết bị mà bạn đang sử dụng để đọc bài viết này. Đó có thể là điện thoại. Đó có thể là laptop. Nhưng dù là gì đi chăng nữa thì thiết bị mà bạn đang cầm trên tay chứa hàng tỷ bóng bán dẫn (transistor) – những chiếc “công tắc” nhỏ đến mức hàng chục triệu cái có thể nằm gọn trên đầu của một cây kim.

Bóng bán dẫn là thứ làm cho máy tính hoạt động, giúp cho điện thoại thông minh có thể tồn tại, là lý do khiến cho TikTok, YouTube, Instagram và toàn bộ thế giới số mà bạn đang sống trong đó mỗi ngày, có thể hoạt động được.

Vậy thì những chiếc bóng bán dẫn nhỏ xíu này đến từ đâu?

Khá bất ngờ, phát minh này dựa trên hai nguyên tắc mà Niels Bohr tự thừa nhận là đã “bịa ra” và không dựa trên bất kỳ cơ sở lý thuyết nào. Thế nhưng, bằng một cách thần kỳ nào đó, đáp án thu được lại vô cùng hợp lý và chính xác tới mức đáng kinh ngạc.

Và nó đã thay đổi thế giới theo cách mà không một ai – kể cả Bohr – có thể tưởng tượng ra được.

1. Sự ra đời của những ý tưởng kỳ lạ

Trước tiên, để Niels Bohr có thể tự “bịa ra” được những nguyên tắc của mình, ông đã dựa vào những ý tưởng đi trước của những người “khai hoang” trong ngành cơ học lượng tử.

Như chúng ta đã biết, vào năm 1900, nhà vật lý người Đức Max Planck đã đưa một giả thuyết vô cùng kỳ lạ: năng lượng không thể nhận bất kỳ giá trị nào tùy thích trên một dải liên tục mà chỉ có thể tồn tại ở những “gói năng lượng” rời rạc – những “pixel” rất nhỏ của vũ trụ này. Planck gọi chúng là lượng tử (quantum) và được đặt tên là hằng số Planck (h)

Planck thì chẳng bao giờ tin vào ý tưởng mà chính mình vừa tìm ra. Thay vào đó, ông coi đây chỉ là một cái “mẹo toán học”. Ông tin rằng sớm muộn ai đó sẽ tìm ra lý thuyết “thực sự” đằng sau nó.

Nhưng đời thì không như là mơ. Thay vì bị loại bỏ, ý tưởng của Planck đã được đẩy đi xa hơn rất nhiều.

Chỉ trong duy nhất một năm 1905, Albert Einstein công bố “liền tù tì” bốn bài báo đã làm thay đổi vật lý mãi mãi – thời điểm mà ông mới có 26 tuổi và đang làm nhân viên văn phòng tại Văn phòng Sáng chế Liên bang ở Bern, Thụy Sĩ. Người ta gọi năm đó là annus mirabilis — một “năm kỳ diệu” của Einstein.

Đặc biệt hơn cả, trong bốn bài báo này, những khám phá của ông về hiệu ứng quang điện đóng một vai trò vô cùng quan trọng – đồng thời cũng là thứ đã mang về cho Einstein giải Nobel Vật lý năm 1921.

Vậy thì hiệu ứng quang điện là gì? Tại sao nó lại quan trọng đến như vậy?

Đây là một thí nghiệm rất đơn giản: chiếu ánh sáng vào một tấm kim loại và bạn có thể “bứt” electron ra khỏi kim loại đó. Không có gì kỳ lạ ở đây cả – ánh sáng mang theo năng lượng và năng lượng đó sẽ “đá” electron ra ngoài.

Nhưng có một điều kỳ lạ mà vật lý cổ điển không tài nào có thể giải thích được: nếu bạn dùng rất nhiều ánh sáng đỏ để chiếu vào bề mặt kim loại (tức là cường độ rất mạnh) electron vẫn không chịu “bứt” ra. Nhưng chỉ với rất ít ánh sáng tím (tức là cường độ rất yếu), electron lại bị “đá” ra ngay lập tức.

Trong vật lý cổ điển, ánh sáng là sóng. Sóng càng mạnh thì năng lượng càng lớn.

Vậy thì ánh sáng đỏ với cường độ cực mạnh ắt hẳn phải mang theo nhiều năng lượng hơn so với ánh sáng tím với cường độ yếu ớt, từ đó có thể dễ dàng “đá” được electron ra ngoài phải không?

Nhưng thực tế thì lại hoàn toàn ngược lại.

Einstein giải thích rằng: ánh sáng không phải là sóng liên tục. Nó được tạo thành từ những “gói năng lượng” rời rạc — mỗi “gói” mang theo một lượng năng lượng cố định. Ông gọi những “gói” này là lượng tử ánh sáng và sau này được đặt tên là photon.

Và năng lượng của mỗi photon này phụ thuộc vào tần số của ánh sáng, không phải cường độ:

với h là hằng số Planck và f là tần số ánh sáng.

Ánh sáng tím có tần số cao hơn so với ánh sáng đỏ nên mỗi photon tím mang theo nhiều năng lượng hơn so với mỗi photon đỏ. Bên cạnh đó, electron cần một ngưỡng năng lượng tối thiểu để bứt ra. Photon tím thì có thể dễ dàng vượt qua được ngưỡng này nhưng photon đỏ thì không. Dù bạn có sử dụng bao nhiêu photon đỏ thì cũng sẽ chẳng thể nào “đá” được electron ra ngoài bởi nhiều photon đỏ không thể “cộng dồn” năng lượng để tương tác với cùng một electron.

Nhìn chung thì ý tưởng này có vẻ là quá đơn giản. Nhưng hệ quả của nó thì không hề đơn giản chút nào.

Nếu ánh sáng bị lượng tử hóa – tức là nếu nó chỉ tồn tại ở những “gói năng lượng” rời rạc – thì sự thật này nói lên điều gì về thế giới bên trong nguyên tử?

Đây là câu hỏi đã ám ảnh Niels Bohr trong suốt những năm tiếp theo.

2. Những vạch tối bí ẩn nằm trên quang phổ

Khi sử dụng lăng kính để phân tách ánh sáng trắng từ Mặt Trời, người ta đã quan sát thấy một số vạch tối xuất hiện ở trên quang phổ của nó.

Vậy thì ý nghĩa của các vạch màu đen này là gì?

Trong giai đoạn từ năm 1854 cho đến năm 1861, Gustav Kirchhoff và Robert Bunsen đã phát hiện ra rằng, quang phổ phát xạ của một nguyên tố hoàn toàn trùng khớp với quang phổ hấp thụ của nó.

Nhưng chính xác thì hai loại quang phổ này là gì và chúng khác nhau như thế nào?

Đầu tiên, quang phổ hấp thụ có thể được quan sát thấy khi ánh sáng đi qua một chất khí. Quang phổ này xuất hiện dưới dạng các vạch đen ở một số bước sóng nhất định trên nền quang phổ liên tục của ánh sáng trắng. Các bước sóng bị thiếu này sẽ cho chúng ta biết được bước sóng nào của bức xạ phát ra bị chất khí hấp thụ.

Ngược lại, quang phổ phát xạ có thể được quan sát thấy khi ánh sáng đang phát ra từ một chất khí. Quang phổ này được nhìn thấy dưới dạng các vạch màu sắc trên nền đen kịt. Và vị trí của các vạch phát xạ cho chúng ta biết được bước sóng nào đang được phát ra từ chất khí.

Mỗi nguyên tố hóa học sẽ có riêng cho mình một phổ phát xạ đặc trưng. Đồng thời, đối với mỗi nguyên tố, vị trí của các vạch phát xạ hoàn toàn trùng khớp với vị trí của các vạch hấp thụ. Điều này có nghĩa là các nguyên tử của một nguyên tố sẽ chỉ hấp thụ bức xạ ở các bước sóng nhất định. Và nếu bức xạ phát ra không có các bước sóng này thì bức xạ sẽ không được nguyên tố đó hấp thụ.

Phổ phát xạ của các nguyên tố có cấu trúc vô cùng phức tạp. Và để đơn giản hoá vấn đề, chúng ta sẽ xét đến quang phổ đơn giản nhất của nguyên tử hydro. Chỉ có bốn vạch màu có thể nhìn thấy được bằng mắt thường. Khi bạn đọc từ phải sang trái, các vạch này lần lượt là: đỏ (656 nm), xanh lam nhạt (486 nm), xanh lam đậm (434 nm) và tím (410 nm).

Các vạch có bước sóng ngắn hơn 400 nm xuất hiện ở phần tia cực tím của quang phổ (ngoài cùng bên trái) và không thể nhìn thấy được bằng mắt thường (ngoài ra còn có vô số vạch quang phổ không thể nhìn thấy được trong dãy quang phổ của hydro)

Vậy thì chúng ta có thể mô tả vị trí của các vạch quang phổ này được không?

Để làm được điều này, đã có một công thức thực nghiệm ra đời giúp mô tả vị trí của các vạch phát xạ hydro (hay bước sóng – 𝜆) được biết đến với tên gọi là công thức Balmer

Hằng số R_H = 1.09737×10⁷⁢ m⁻¹ được gọi là hằng số Rydberg của hydro. Trong phương trình này, số nguyên dương n nhận được các giá trị là 3,4,5,6 đối với bốn vạch quang phổ có thể nhìn thấy được trong dãy này. Đây được gọi là dãy Balmer của hydro.

Bên cạnh đó, các vạch phát xạ khác của hydro được phát hiện trong thế kỷ XX đã được mô tả bằng công thức Rydberg giúp tóm tắt tất cả các dữ liệu thực nghiệm:

với n_i = n_f + 1, n_f + 2, n_f + 3,…

Khi n_𝑓 = 1, dãy các vạch quang phổ này được gọi là dãy Lyman. Khi n_𝑓 = 2, dãy quang phổ này được gọi là dãy Balmer như ở bên trên. Khi n_𝑓 = 3, đây chính là dãy Paschen. Khi n_𝑓 = 4 – dãy Brackett. Khi n_𝑓 = 5 – dãy Pfund. Khi n_𝑓 = 6, chúng ta sẽ có dãy Humphreys. Và như bạn có thể đoán được, sẽ có vô số các dải quang phổ như vậy vì n_𝑓 có thể là bất kỳ số nguyên dương nào.

Như vậy, chúng ta có thể thấy rằng Công thức Rydberg cho nguyên tử hydro đã có thể tính toán được vị trí chính xác của các vạch quang phổ như đã được quan sát thấy trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, không ai có thể giải thích được tại sao nó lại hoạt động tốt đến như vậy.

3. Sự sụp đổ của mô hình nguyên tử

Vào năm 1909, Ernest Rutherford đã tiến hành bắn hạt alpha (hạt nhân heli) vào một lá vàng mỏng. Hầu hết các hạt đều đâm xuyên qua nhưng một số bị chệch hướng hay bị bật ngược trở lại.

Rutherford đã há hốc mồm kinh ngạc. Ông đã mô tả cảm giác này như sau:

Cảm giác lúc đó rất khó tin, giống như việc bạn bắn một quả pháo 15 inch vào một mảnh giấy mỏng và nó bật ngược trở lại đánh trúng bạn vậy.

Từ thí nghiệm, Rutherford đã đề xuất một mô hình hành tinh nguyên tử với các điểm chính sau:

• Nguyên tử không phải là một khối đồng nhất mà được có một hạt nhân mang điện tích dương rất nhỏ nằm ở trung tâm.
• Gần như toàn bộ khối lượng của nguyên tử được tập trung tại hạt nhân. Tuy nhiên, hạt nhân này lại có kích thước rất nhỏ so với toàn bộ nguyên tử. 
• Phần lớn nguyên tử được cấu thành bởi “khoảng không” trống rỗng – nơi các electron chuyển động xung quanh hạt nhân giống như các hành tinh quay xung quanh Mặt Trời.

Mọi thứ lúc này thật tao nhã, dễ hiểu và trực quan. Nhưng ngay lập tức đã xuất hiện một vấn đề không thể bỏ qua.

Theo các phương trình của Maxwell – bất kỳ hạt điện tích nào đang chuyển động trên một quỹ đạo cong đều sẽ phải phát ra sóng điện từ và dần dần mất đi năng lượng. Và quỹ đạo này sẽ thu hẹp theo đường xoắn ốc. Các tính toán đã chỉ ra rằng, electron sẽ xoắn ốc vào hạt nhân và nguyên tử sẽ sụp đổ trong khoảng 10^-12 giây.

Nhưng ngay tại lúc này, các nguyên tử vẫn không bị sụp đổ. Bạn vẫn đang tồn tại. Mọi thứ xung quanh bạn vẫn đang tồn tại. Chẳng có gì bị đảo lộn cả.

Vậy thì tại sao electron lại không di chuyển theo quỹ đạo xoắn ốc và đâm sầm vào hạt nhân?

Vào năm 1911, đây chính là câu hỏi mà Niels Bohr rất muốn có được câu trả lời.

4. Hai quy tắc “bịa đặt”

Niels Bohr sinh năm 1885 tại Copenhagen, Đan Mạch. Cha ông là giáo sư sinh lý học, mẹ ông là con gái của một gia đình ngân hàng Do Thái giàu có. Bohr đã được nuôi dưỡng trong bầu không khí của những cuộc tranh luận học thuật tại bàn ăn tối – một môi trường quá đỗi hoàn hảo giúp ông hình thành nên một tư duy không chịu chấp nhận những câu trả lời có sẵn.

Năm 1912, Bohr đến Manchester để làm việc cùng với Rutherford. Khi phải đối mặt với bài toán electron xoắn ốc hóc búa, ông đã cố gắng tìm ra một hướng đi hoàn toàn mới để có thể giải quyết vấn đề này.

Ông đã biết về Einstein. Ông đã biết rằng ánh sáng đã bị lượng tử hóa – tức là nó chỉ tồn tại ở những “gói năng lượng” rời rạc. Và ông tự bắt đầu tự hỏi:

Nếu như ánh sáng – một thứ tưởng như là một dải sóng liên tục – lại bị lượng tử hóa, vậy thì tại sao electron lại không thể hành xử như vậy?

Không ai dạy ông điều này cả. Đây hoàn toàn là trực giác thuần túy. Năm 1913, Niels Bohr đã công bố mô hình nguyên tử của mình. Nó dựa trên hai giả thuyết mà chính ông thừa nhận là không có cơ sở lý thuyết:

a. Giả thuyết thứ nhất: Electron không thể ở bất kỳ vị trí nào tùy thích. Nó chỉ có thể tồn tại ở những quỹ đạo rời rạc hình tròn xung quanh hạt nhân. Ở những quỹ đạo này, electron sẽ không phát ra năng lượng dù đang chuyển động với tốc độ rất nhanh. Giả thuyết này đương nhiên là đã vi phạm hoàn toàn các phương trình của Maxwell. Nhưng Bohr thì vẫn cứ thích giả định vậy.

Vậy thì các quỹ đạo “được phép” ở đây được xác định như thế nào?

Sau đây là công thức để chúng ta có thể tìm ra chúng:

• L là động lượng góc của electron (bằng với khối lượng x vận tốc x bán kính quỹ đạo) 
• ħ = h/2π là hằng số Planck rút gọn
• n là số nguyên dương (1,2,3,4…)

Nói theo cách đơn giản hơn thì động lượng góc “được phép” của electron chỉ có thể là bội số nguyên của hằng số Planck rút gọn – tức là nó đã được “lượng tử hoá”

b. Giả thuyết thứ hai: Khi electron “nhảy” từ quỹ đạo có năng lượng cao hơn xuống quỹ đạo có năng lượng thấp hơn, nó sẽ phát ra đúng một photon mang theo năng lượng đúng bằng với hiệu năng lượng giữa hai quỹ đạo:

Ngược lại, electron có thể hấp thụ một photon để có thể “nhảy” lên quỹ đạo cao hơn – đương nhiên là chỉ khi nào photon đó mang theo đúng con số năng lượng mà electron cần. Không nhiều hơn, không ít hơn.

Nhưng tại sao mọi thứ lại hoạt động như vậy?

Trớ trêu thay, chính bản thân Niels Bohr cũng không thể trả lời được câu hỏi này. Ông chỉ đơn giản là nhận thấy rằng nếu như sử dụng các nguyên tắc này, mọi thứ hoá ra lại trở nên ổn thoả.

5. Khi mọi thứ lại được sắp đặt đâu vào đấy

Từ hai giả thuyết trên, Bohr đã tính toán được bán kính của các quỹ đạo electron trong nguyên tử hydro:

Trong đó a₀ ≈ 0,529 Å (ångström = 10^–10 m) – được gọi là bán kính Bohr. Đây chính là quỹ đạo nhỏ nhất (n = 1), một trạng thái mà electron ở rất gần hạt nhân và vô cùng ổn định. Khi n = 2, bán kính sẽ là 4 × a₀. Khi n = 3, bán kính sẽ là 9 × a₀ và cứ thế tiến dần ra ngoài.

Kết quả này có nghĩa là các quỹ đạo electron trong nguyên tử hydro đã được lượng tử hóa vì bán kính quỹ đạo của electron chỉ nhận được các giá trị rời rạc như a₀, 4a₀, 9a₀,16a₀,…và không cho phép bất kỳ giá trị nào khác.

Đồng thời, ông cũng đã tính toán được mức năng lượng tương ứng với từng quỹ đạo:

Dấu trừ ở đây có một ý nghĩa rất quan trọng: electron đang ở trạng thái bị giam cầm trong nguyên tử. Bạn sẽ cần phải cung cấp năng lượng để có thể kéo nó ra. Mức năng lượng cơ bản của electron (n = 1) sẽ có giá trị là −13,6eV – là trạng thái năng lượng cơ bản. Nếu bạn muốn nâng electron lên n = 2? Bạn sẽ cần phải cung cấp:

Điều này có nghĩa là bạn sẽ cần phải chiếu vào nguyên tử hydro một photon có năng lượng đúng bằng 10,2 eV – không hơn, không kém, từ đó đưa nguyên tử hydro lên trạng thái năng lượng kích thích.

Và đây chính là điểm mấu chốt. Nguyên tử hydro sẽ chỉ “tiếp nhận” những photon mang theo năng lượng đúng bằng với hiệu năng lượng giữa hai quỹ đạo. Thế còn các photon không mang giá trị này thì sao? Chúng sẽ chỉ đơn giản là bay qua và chẳng để lại dấu vết gì.

Và khi electron “nhảy” xuống các mức năng lượng thấp hơn, nó sẽ phát ra photon có bước sóng là:

Đây chính là công thức Rydberg ở bên trên với R_H là hằng số Rydberg – một con số đã được đo đạc bằng thực nghiệm từ thế kỷ 19 khi người ta đã quan sát quang phổ của hydro nhưng không một ai có thể giải thích được tại sao nó tồn tại. Giờ đây, Bohr lại có thể tính toán ra được con số này từ lý thuyết của mình:

Và kết quả này khớp với giá trị thực nghiệm lên đến bốn chữ số thập phân.

Như vậy, về cơ bản, Niels Bohr đã bịa ra hai quy tắc chẳng có cơ sở nào cả, rồi từ những quy tắc đó lại có thể tính toán ra một hằng số mà trong nhiều thập kỷ không ai có thể giải thích được.

Giới vật lý vô cùng bàng hoàng – không phải vì đây là một mô hình có cơ sở lý thuyết vững chắc – mà vì nó đúng và chẳng ai hiểu tại sao.

6. Từ nguyên tử hydro cho đến Tik Tok

Dẫu vậy, mô hình Bohr, dù đúng một phần, vẫn còn có rất nhiều lỗ hổng. Nó chỉ có thể sử dụng cho các nguyên tử hydro – là nguyên tử chỉ có một electron. Với các nguyên tử phức tạp hơn, mô hình này hoàn toàn bó tay. Và nó không thể giải thích được tại sao electron lại hành xử như vậy.

Nhưng ý tưởng của Bohr về cách các electron được “lượng tử hoá” hoá ra lại rất phi thường.

Câu hỏi đầu tiên:

Điều gì sẽ xảy ra khi bạn xếp hàng tỷ tỷ các nguyên tử thành một khối vật chất?

Khi các nguyên tử được đặt sát ở gần nhau, các mức năng lượng của chúng sẽ tạo thành những dải năng lượng (band). Hãy tưởng tượng như thế này: Nếu một nguyên tử đơn lẻ có các mức năng lượng rời rạc giống như các căn phòng thì hàng tỷ nguyên tử xếp cạnh nhau và chồng lên nhau sẽ tạo thành những tầng giống như ở trong các toà nhà, tạo thành các dải năng lượng liên tục và được phân cách bởi vùng cấm (band gap) – đó chính là những cái cầu thang giúp kết nối các tầng – nơi các mức năng lượng không được phép tồn tại.

Và bề rộng của vùng cấm này sẽ quyết định tất cả. Các vật liệu có vùng cấm lớn như thủy tinh, nhựa hay các chất cách điện khác sẽ làm cho các electron không thể nhảy qua và di chuyển. Điều này cũng giống như việc bạn sẽ mệt bở hơi tai khi cố gắng trèo lên một cái thang bộ rất cao và dài từ tầng 1 lên đến tầng 2.

Ngược lại, các vật liệu không có vùng cấm chính là các kim loại dẫn điện – những vật liệu cho phép electron có thể di chuyển tự do. Trường hợp này thì giống với việc bạn đi thang máy giữa các tầng mà chẳng tốn một tí công sức nào cả.

Cuối cùng đó chính là các vật liệu có vùng cấm vừa phải – nơi mà các electron vẫn có thể dễ dàng bay nhảy qua một khe hẹp và di chuyển. Đây chính là các vật liệu bán dẫn. Điều này cũng giống với việc bạn chỉ cần đi vài bậc thang bộ để trèo lên cái gác xép vậy.

Vậy thì tác dụng của cái vùng cấm này là gì?

Câu trả lời đương nhiên là khá đơn giản: Đây chính là một “bước nhảy năng lượng” mà electron cần phải thực hiện để biến một vật liệu thành chất dẫn điện – nơi các electron có thể tự do di chuyển (và do đó tạo ra dòng điện).

Để dễ hiểu hơn, hãy hình dung ra hình ảnh của một tòa nhà hai tầng:

• Vùng hóa trị chính là tầng một – nơi các electron nằm chết dí ở đây, liên kết với các nguyên tử và không thể di chuyển tự do.
• Vùng dẫn điện chính là tầng hai – nơi mà nếu electron có thể đến được đây, chúng sẽ phá bỏ được “xiềng xích” tự do di chuyển và từ đó tạo thành một dòng điện (Bởi dòng điện thực chất là một dòng electron đang di chuyển)
• Vùng cấm chính là cầu thang giúp kết nối các tầng. Và để có thể giúp cho electron trèo được cái cầu thang này, chúng ta cần phải cung cấp năng lượng cho nó.

Trong số tất cả các loại nguyên liệu có mặt trên Trái Đất này, silicon là một nguyên tố vô cùng đặc biệt. Bên cạnh sự phổ biến và mức độ dồi dào, đặc tính bán dẫn của nó là một thứ rất đáng để chúng ta xem xét.

Đối với silicon, vùng cấm của nó rơi vào khoảng 1,1 eV – một mức năng lượng không quá lớn và cũng không quá nhỏ. Hệ quả là dưới điều kiện bình thường, silicon gần như không dẫn điện. Nhưng nếu bạn pha tạp thêm một lượng nhỏ các nguyên tố khác vào mạng tinh thể silicon này, bạn sẽ có thể dễ dàng kiểm soát được độ dẫn điện của nó một cách rất chính xác.

Vậy là vào ngày 16 tháng 12 năm 1947, tại phòng thí nghiệm Bell ở New Jersey, ba nhà vật lý John Bardeen, Walter Brattain, và William Shockley đã lắp ráp thành công một thiết bị điện tử đầu tiên hoạt động hoàn toàn dựa trên các quy tắc của vật lý bán dẫn.

Họ gọi nó là bóng bán dẫn (transistor)

Những chiếc bóng bán dẫn này giống như một chiếc công tắc thông thường, nhưng thay vì chỉ sử dụng để bật hoặc tắt đèn, nó có thể kiểm soát dòng electron trong chất bán dẫn.

Điều này có nghĩa là gì?

Và để có thể hiểu rõ cách thức hoạt động của bóng bán dẫn, hãy tưởng tượng rằng thiết bị này giống như một vòi nước ở bên trong nhà bạn. 

Một bóng bán dẫn thường có 3 cực, tương đương với 3 phần của vòi nước:

• Cực Thu (Collector – C): Nơi nước (hoặc dòng điện) đi vào.
• Cực Phát (Emitter – E): Nơi nước (hoặc dòng điện) thoát ra.
• Cực Gốc (Base – B): Chính là cái tay vặn vòi nước.

Và tất cả các bóng bán dẫn đều hoạt động dựa trên cách thức bạn điều khiển cực gốc (B)

• Ở trạng thái đóng (hoặc tắt) – tức là khi bạn không chạm vào tay vặn (không có dòng điện đi vào cực B), nước (hay dòng điện) sẽ không thể chảy từ C sang E. Đối với máy tính, đây là số 0.
• Ở trạng thái mở (hoặc bật) – tức là khi bạn vặn vòi nước một chút (tức là cấp một dòng điện nhỏ vào cực B), điều này sẽ cho phép một dòng nước chảy từ C sang E. Đối với máy tính, đây là số 1.

Có hai nhiệm vụ rất quan trọng mà các bóng bán dẫn có thể thực hiện tùy thuộc vào cách chúng ta “vặn vòi”:

• Đầu tiên chính là hai trạng thái “mở” hoặc “tắt”. Sau đó, các con chip máy tính có thể “dịch” hai tín hiệu này thành mã nhị phân 0 và 1 để tính toán. Vì bóng bán dẫn là rất rất nhỏ (vài tỷ cái trên một con chip bé xíu) và không có bộ phận cơ học giống như công tắc thông thường, chúng có thể đóng/ngắt hàng tỷ lần mỗi giây. 
• Thứ hai đó chính là khuếch đại: Nếu bạn vặn tay ở mức vừa phải, dòng nước (hoặc điện) cho ra sẽ biến đổi theo cách bạn vặn nhưng được khuếch đại mạnh hơn rất nhiều.

Dù những ý tưởng này là rất mới mẻ và mang tính cách mạng, nhưng vấn đề đối với các bóng bán dẫn đầu tiên là chúng có kích thước rất lớn (bằng với ngón tay) và cần được nối với nhau bằng dây. Điều này đã làm cho chiếc máy tính đầu tiên sử dụng bóng bán dẫn như IBM 7090 có kích thước bằng cả một căn phòng.

Trong khoảng thời gian từ năm 1958 đến 1959, Jack Kilby và Robert Noyce đã độc lập phát minh ra mạch tích hợp (integrated circuit – IC, hay còn gọi là vi mạch hay chip), về cơ bản là phương pháp giúp đặt nhiều bóng bán dẫn lên cùng một mảnh silicon bé xíu và đã kết nối sẵn với nhau.

Và từ đây, ngành công nghiệp bán dẫn đi theo một quy luật rất đơn giản mà Gordon Moore – người đồng sáng lập của Intel – đã quan sát từ năm 1965: Cứ sau mỗi hai năm, số lượng bóng bán dẫn trên một con chip sẽ tăng gấp đôi.

Vào năm 1971, một con chip Intel 4004 có khoảng 2.300 bóng bán dẫn. Tới năm 2020, một con chip M1 của Apple có tới 16 tỷ bóng bán dẫn. Và chiếc điện thoại mà bạn đang cầm trên tay có số bóng bán dẫn còn nhiều hơn cả tổng dân số đã từng sinh sống trên Trái Đất.

Từ đây, hàng tỷ cái bóng bán dẫn trên vi mạch đã dẫn đến sự ra đời của máy tính, rồi đến tiền thân của internet vào năm 1969 – ARPANET, rồi đến World Wide Web vào năm 1991, rồi điện thoại thông minh, các ứng dụng, mạng xã hội và cuối cùng là chính là sự ra đời của TikTok vào năm 2016.

Vì vậy, khi bạn cuộn feed TikTok vào lúc 2 giờ sáng, hàng tỷ chiếc bóng bán dẫn đang hoạt động mỗi giây – tất cả đều nhờ vào hiểu biết của chúng ta về cơ học lượng tử, đặc biệt là dựa vào hai nguyên tắc mà Niels Bohr đã “bịa ra” vào năm 1913.

7. Cái giá của sự tò mò

Năm 1913, Niels Bohr không ngồi vào bàn làm việc với mục tiêu là “phát minh ra bóng bán dẫn” hay “tạo ra Tiktok”. Ông chỉ đơn thuần là bị ám ảnh bởi một câu hỏi:

Tại sao electron lại không di chuyển theo quỹ đạo xoắn ốc và rơi vào hạt nhân?

Không có ứng dụng thực tế rõ ràng nào cả, không có mục đích kinh tế, không có startup. Đây đơn giản chỉ là một sự tò mò thuần túy – một người rất muốn hiểu cách thế giới đang vận hành.

Và rồi, ba mươi năm sau khi Bohr công bố mô hình nguyên tử của mình, bóng bán dẫn ra đời. Bảy mươi năm sau, World Wide Web xuất hiện. Và một trăm năm sau, bạn đang đọc bài viết này trên một thiết bị chứa hàng tỷ chiếc bóng dẫn – một kỳ quan công nghệ chỉ có thể xuất hiện nhờ vào những hiểu biết của chúng ta về cơ học lượng tử.

Lần tới, khi bạn mở điện thoại ra và lướt mạng, hãy dành một giây để nhớ đến một nhà khoa học 28 tuổi người Đan Mạch đang ngồi trong phòng làm việc tại Manchester và vật lộn với những thắc mắc của chính mình. 

Ông không biết nó có thể dẫn tới điều gì trong tương lai. Ông chỉ đang cố gắng nắm bắt được những gì đang xảy ra ở trong hiện tại mà thôi.

Và điều đó, hóa ra, lại kỳ diệu hơn ông tưởng rất nhiều.