Giải Nobel Vật lý 2009

Ngày 6/10/2009 Hàn lâm Viện Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã thông báo trao giải Nobel Vật lý 2009 cho ba nhà khoa học. Công trình của ba nhà Vật lý đã đặt cơ sở cho công nghệ thông tin hiện đại (modern information technology). Charles K.Kao đưa ra ý tưởng truyền thông bằng cáp quang và nghiên cứu cách làm giảm thiểu cường độ ánh sáng khi lan truyền trong các sợi quang học. Willard S.Boyle và George E.Smith sáng chế thiết bị CCD (charge-coupled device) mà hiện nay là linh kiện chính yếu của nhiều camera số và tất cả thiết bị công nghệ cao sử dụng trong y học và trong khoa học nói chung, trong thiên văn, trong vũ trụ (Hubble space telescope).  

Truyền ánh sáng trong sợi để thực hiện truyền thông quang học
Kính được chế tạo từ 4500 năm về trước ở Mesopotamia và Ai Cập. Con người đã biết tạo ra những hình ảnh lung linh bằng cách tác dụng ánh sáng vào kính. Và 100 năm trước người ta đã tìm cách bắt nhốt các tia sáng. Một tia sáng nếu hướng vào một sợi quang (optical fiber) thì tia sáng sẽ đập vào thành sợi qua lại khi hệ số chiết xuất của kính lớn hơn của môi trường xung quanh (hình 1) và ánh sáng lan truyền về phía trước. Và ý tưởng truyền thông tin bằng cáp quang xuất hiện.
Truyền thông bằng cáp quang trong thời đại ngày nay là một khái niệm thông thường, nhưng khi K.Kao đưa ra ý tưởng này thì nó được đón nhận một cách bi quan.

Từ trái sang phải: 
Charles K.Kao (1/2 giải), Phòng thí nghiệm Standard Telecommunication, Harlow, Anh; ĐH Trung Quốc HongKong, sinh năm 1933, Thượng Hải, Trung Quốc.
Willard S.Boyle (1/4 giải),Phòng thí nghiệm Bell,Murray Hill,NJ.Mỹ, sinh năm 1924,Amherst, NS, Canada
George E.Smith  (1/4 giải), Phòng thí nghiệm Bell, Murray Hill, NJ.Mỹ, sinh năm 1930.
Số tiền thưởng của giải: 10 triệu SEK (krona Thụy Điển), khoảng 1.435.441 USD (8/10/2009)

Các sợi quang ngắn được ứng dụng vào ngành y vào năm 1930. Người ta đã bọc sợi quang bằng một vỏ bọc có hệ số chiết xuất nhỏ hơn. Song đối với một quãng đường dài thì không có hiệu quả. Người ta nghĩ đến việc dùng ánh sáng laser. Mọi thông tin có thể mã hóa thành số 1 & 0, song sau quãng đường 20m thì chỉ còn lại 1% ánh sáng. Nhiều nghiên cứu ở các phòng thí nghiệm khác nhau trên thế giới đều không dẫn đến kết quả khả quan.

Hình 1. Sợi quang rất mảnh chừng 125 micro mét. Tâm sợi có đường kính khoảng 10 micre mét, nhỏ nhiều hơn một sợi tóc; ánh sáng hồng ngoại với bước sóng 1,55 micro mét sẽ bị giảm cường độ ít nhất dọc sợi quang và hiện nay được dùng trong truyền thông quang học.

Đây là một thử thách lớn đối với Charles Kuen Kao, lúc bấy giờ là một kỹ sư trẻ tuổi tại STL (Standard Telecommunication). Sinh năm 1933 ở Thượng Hải ông bảo vệ Ph.D tại Đại học London năm 1965. Mục đích của ông là làm sao cho 1% ánh sáng nói trên sẽ đi xa hơn. Ngoài việc nghiên cứu sự lan truyền ánh sáng trong sợi quang K.Kao đã đi đúng hướng khi xét đến các tính chất của vật liệu cấu tạo nên các cáp quang.
Tháng giêng năm 1966 K.Kao đưa ra các kết luận nghiên cứu của mình tại London và công bố kết quả vào tháng sáu [1]: sự hao tổn ánh sáng là do hiện tượng hấp thụ (absorption) và khuếch tán (scattering) vì các tạp chất đặc biệt ion sắt. Những tạp chất trong sợi quang làm giảm thiểu cường độ ánh sáng truyền đi.
K.Kao cùng T.W.Davies, M.W.Jones và C.R. Wright đã thực hiện nhiều thí nghiệm đo sự giảm cường độ ánh sáng khi lan truyền trong sợi quang theo độ dài của nhiều bước sóng.
K.Kao đưa ra ý tưởng dùng silica (SiO2) nóng chảy. Nhiệt độ nóng chảy là 2000oC, một nhiệt độ khó điều khiển nhưng có thể giúp chế tạo những sợi siêu nhỏ. Sau 4 năm các nhà công nghệ tại Corning Glass Works (Mỹ) với hơn 100 năm kinh nghiệm đã chế tạo được một cáp quang dài 1km nhờ công nghệ gọi là CVD (Chemical Vapor Deposition) đạt các tiêu chuẩn mà K.Kao đã đề ra.
Hệ thống cáp quang xuyên đại dương được lắp đặt đầu tiên năm 1988 dài 6000 km nối liền châu  Mỹ và châu Âu. Ngày nay độ dài cáp quang lên đến 1 tỷ km (độ dài 25.000 lần quanh Trái đất).
Một ví dụ đặc biệt đáng chú ý là việc sử dụng mạng cáp quang phát triển tại LHC (Máy va chạm hadron lớn) tại CERN để chuyển tải số lượng thông tin khổng lồ thu được từ các detector đến tất cả trung tâm nghiên cứu lớn trên toàn thế giới.

Mạch bán dẫn ghi hình – cảm biến CCD (Imaging semiconductor circuit –the CCD sensor)
Lịch sử phát triển các camera và ghi lại hình là một lịch sử lâu dài trong quá khứ. Có lẽ bức ảnh chụp đầu tiên còn lại hiện nay là do J.N.Niepce thực hiện năm 1826 nhờ một camera với thời gian thu ảnh bằng 8 giờ. Âm bản làm bằng một lớp bitumen. Phim cuộn được sáng chế năm 1887 và năm 1888 camera với phim cuộn được bán trên thị trường.
Năm 1908 G.Lippman đoạt giải Nobel vì phát minh ra ảnh màu.

Hình 2 . Minh họa nghệ thuật truyền thông toàn cầu

Song việc ghi ảnh chỉ trở thành một cuộc cách mạng số nhờ sự phát minh ra CCD.
Năm 1969 Willard S.Boyle và George E. Smith tại Phòng thí nghiệm Bell (Bell Laboratories) phác thảo sơ đồ cấu trúc của CCD và sau đó thực hiện thành công [2]. CCD  là tên do hai tác giả trên đặt cho thiết bị. CCD còn được gọi một cách đơn giản tuy không chính xác lắm là image sensor – cảm biến hình ảnh hoặc electron eye- mắt điện tử . Tiếng Anh: CCD là Charge (Điện tích)- Coupled (Kết nối) Device (Thiết bị). CCD được sáng chế dựa trên các tính chất của MOS (Metal Oxide Semiconductor) để tạo ra một thiết bị tích hợp nhằm thu và đọc thông tin.
Boyle sinh năm 1924 tại Amherst, Nova Scotia. Smith sinh năm 1930 tại NewYork. Cả hai làm việc tại Bell Laboratories.
CCD được làm bằng silicon, kích thước cỡ một con tem, bản silicon này chứa hàng triệu tế bào quang học (photocell) nhạy cảm với ánh sáng (hình 2). Kỹ thuật ghi hình dựa trên hiện tượng quang điện  (Einstein, Nobel 1921): ánh sáng đập vào bản silicon và đánh bật ra các electron trong các tế bào quang điện. Các electron được giải thoát tích tụ lại  trong tế bào như trong một cái giếng. ánh sáng càng mạnh thì số electron càng nhiều và chúng chiếm đầy các giếng đó.
Khi một điện thế được áp vào bề mặt CCD thì nội dung các giếng sẽ được đọc: từng hàng một các electron sẽ trượt khỏi bề mặt để đi vào một băng chuyền (hình 3). Như thế ví dụ một bề mặt 10 x 10 điểm ảnh sẽ biến thành 100 điểm xếp theo một chuỗi dài. Bằng cách đó CCD biến một hình quang học thành một chuỗi số  1 & 0. Mỗi tế bào quang như thế được tái tạo thành một điểm ảnh, một pixel. Ví dụ một CCD chứa 1280 x 1024 pixels sẽ có một dung tích là 1,3 megapixels. Camera video sử dụng CCD xuất hiện vào năm 1970.
Thiết bị CCD cung cấp hình ảnh đen trắng, muốn có màu phải dùng các màng lọc (filter) như màng lọc RGB đặt trên mỗi tế bào quang điện (màng lọc Bayer).
Công nghệ CCD sau này bị cạnh tranh bởi công nghệ CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Cả hai công nghệ đều sử dụng hiện tượng quang điện song trong CCD các electron được tập hợp thành hàng để được đọc ra thì trong CMOS mỗi tế bào được đọc tại chỗ ở vị trí của mình. CMOS ít tiêu năng lượng hơn song chất lượng hình ảnh có phần kém hơn.

Hình 3 . Nguyên lý hoạt động:  CCD chuyển các hình ảnh quang học thành các tín hiệu điện tử, các tín hiệu này sau đó được dịch mã sang số 1 & 0

Hiện nay CCD là thiết bị chính yếu trong tất cả các camera số sử dụng trong mọi lĩnh vực, từ giải trí, y học, nghiên cứu, vũ trụ…Kính viễn vọng không gian Hubble (Hubble Space Telescope) được trang bị nhiều camera CCD trong nhiều mục đích khác nhau.
***
Những công trình của ba nhà vật lý Charles K.Kao và Willard S.Boyle, George E.Smith đã kiến thiết hai cuộc cách mạng trong công nghệ quang học làm thay đổi hoàn toàn bộ mặt truyền thông của thế giới số ngày nay. Không thể kể hết các ứng dụng to lớn phong phú do các công trình của họ đem lại cho y học, nghiên cứu khoa học, truyền thông trên Trái đất, trong vũ trụ…Các nhà khoa học trên thế giới chúc mừng quyết định trao giải Nobel Vật lý 2009 cho ba nhà vật lý Charles K.Kao ,Willard S.Boyle, George E.Smith của Hàn lâm Viện Khoa học Hoàng gia Thụy Điển.
CC. biên dịch
—————-
[1] C.K.Kao and G.A. Hockham, “Dielectric-Fibre Surface Waveguides for optical frequencies”
Proc. IEEE, 113, 1151 (1966).
[2] W.S.Boyle & G.E.Smith, Bell Systems Technical Journal 49 (1970) 587