TS. Nghiêm Thị Minh Hòa (PIAS Phenikaa): Người thích giải những bài toán khó
Khao khát tìm những lối đi riêng và tới những vùng đất còn ít được “khai phá” trong hệ tương quan điện tử mạnh bất cân bằng (non-equilibrium strongly correlated systems) – một lĩnh vực chuyên ngành hẹp của vật lý chất rắn, TS. Nghiêm Thị Minh Hòa, một nhà vật lý lý thuyết trẻ của Viện nghiên cứu tiên tiến PIAS Phenikaa, không ngại đương đầu với những bài toán khó. Với công bố về hiệu ứng Kondo năm 2017 trên tạp chí Physics Review Letter, một xuất phát điểm hoàn hảo của các nhà vật lý ở giai đoạn đầu sự nghiệp, chị đã có đủ tự tin để khẳng định con đường mà mình đã lựa chọn.
TS. Nghiêm Thị Minh Hòa và đồng nghiệp tại Viện nghiên cứu PIAS Phenikaa. Ảnh: Thanh Nhàn
Trong các đề cử Giải thưởng Tạ Quang Bửu 2019, ngành vật lý có ba đại diện, trong đó hai tác giả có công trình xuất bản trên tạp chí Physics Review Letter và TS. Nghiêm Thị Minh Hòa là người trẻ nhất. Có lẽ vì trẻ nhất, ít xuất hiện nhất và phạm vi nghiên cứu cũng khá “lạ” nên chỉ có số ít đồng nghiệp trong giới nghiên cứu biết đến chị. “Ừ Hòa được đấy”, PGS. TS Phạm Thành Huy, người từng tiếp nhận chị về Viện AIST (Đại học Bách khoa HN) năm 2017 và nay là “sếp” của chị ở Viện PIAS (trường đại học Phenikaa) nhận xét. “Dù Hòa còn trẻ nhưng tôi không chỉ thấy ở bạn ấy các phẩm chất của một nhà khoa học đúng nghĩa – thực hiện công việc một cách chủ động, cẩn thận và nghiền ngẫm vấn đề sâu sắc, mà còn thấy nét đặc trưng của một người được đào tạo ở Đức – chính xác, chặt chẽ, rõ ràng”.
Tự tin trước những vấn đề thách thức
Cảm giác đầu tiên mà mọi người cảm nhận ở TS. Nghiêm Thị Minh Hòa là sự giản dị và tự tin. Với cách diễn đạt không màu mè và cái nhìn thẳng thắn, chị cởi mở nói về công việc nghiên cứu của mình. Dù thật khó nói về những vấn đề thuộc một phạm vi nghiên cứu rất sâu mà những nhà vật lý chất rắn “hàng xóm” khác cũng cảm thấy mơ hồ, theo cách nói của PGS. TS Phạm Thành Huy là “từ ngày ở AIST, bạn ấy đã tổ chức nhiều buổi seminar để có thể chủ động trao đổi về chuyên môn với mọi người nhưng thú thực là bọn anh cũng chỉ hiểu lơ mơ”, nhưng TS. Nghiêm Thị Minh Hòa vẫn cố gắng tìm cách miêu tả nó một cách dễ hiểu nhất có thể để người đối thoại nắm bắt được những nét chính. Dường như bao giờ chị cũng mong muốn thiết lập được mối liên kết với mọi người xung quanh bởi không muốn mình khu trú ở một phạm vi hẹp nào đó. Khi còn làm nghiên cứu sinh về hệ tương tác mạnh ở Nhật Bản, chính qua những lần trao đổi với đồng nghiệp làm thực nghiệm cũng xuất phát từ những cuộc trao đổi như vậy. “Hồi đó, mọi người hỏi tôi là ‘liệu có mô phỏng được hệ tương quan mạnh trong thời gian thực hay không?’. Lúc ấy, tôi chỉ có thể trả lời ‘ồ, đó là cả một câu chuyện khác vì nó sẽ khó hơn’”, chị kể.
Từ những ý tưởng đến “bất chợt” như vậy đến khi chính thức lựa chọn chủ đề sự tiến triển năng lượng theo thời gian và xuất bản được công trình “Sự tiến triển theo thời gian của cộng hưởng Kondo trong phản hồi một hành động dập tắt” (Time evolution of the Kondo resonance in response to a quench) cùng TS. Theo Costi (Viện nghiên cứu Peter Grünberg và Viện nghiên cứu Mô phỏng tiên tiến, Trung tâm nghiên cứu Jülich, Đức) – thầy hướng dẫn postdoc tại Đức, TS. Nghiêm Thị Minh Hòa đã mất gần 5 năm. “Khi làm postdoc, tôi mới có điều kiện tập trung khai thác các bài toán hệ nhiều hạt (many body systems) không chỉ tương tác mạnh mà còn có sự biến đổi các mức năng lượng theo thời gian. Đây là vấn đề còn ít được nghiên cứu cả về lý thuyết và thực nghiệm, về mặt lý thuyết thì đây là bài toán khó và về thực nghiệm thì cần các đo đạc chính xác ở những thang thời gian nhỏ, ví dụ như trong hệ chất rắn tương quan mạnh thang thời gian cỡ femto giây hoặc ato giây (1femto giây bằng 10-15 giây)”, chị cho biết.
Bản thân bài toán hệ nhiều hạt đã là bài toán khó vì “chỉ cần một electron quay quanh một quỹ đạo nhất định tương tác mạnh với electron có spin trái dấu và liên kết với môi trường dẫn điện đã là một bài toán khó và không có lời giải bằng giải tích”, TS. Nghiêm Thị Minh Hòa giải thích thêm. Với các nhà nghiên cứu vật lý chất rắn, hệ tương tác mạnh là một vấn đề hấp dẫn tồn tại hơn 60 năm qua vì luôn luôn có những câu hỏi mới phát sinh, đặc biệt khi nó gợi mở đến những vấn đề liên quan tới các loại vật liệu mới như siêu dẫn nhiệt độ cao (high-temperature superconductors), siêu dẫn không hở dị thường (anomalous gapless superconductivity), siêu dẫn tái nhập (re-entrant superconductivity)… 1 – những chất có khả năng dẫn điện không điện trở, được kỳ vọng có thể thay thế chất bán dẫn truyền thống đã được ngành công nghiệp khai thác gần như tới hạn từ cuối thế kỷ 20.
Câu hỏi đầu tiên được đặt ra của hệ này là về một hiện tượng thể hiện tính chất truyền dẫn dị thường trong các kim loại khi có tạp từ và nhiệt độ giảm. Quan sát hiện tượng vào những năm 1930 nhưng phải đến năm 1964, nhà vật lý lý thuyết Nhật Bản Jun Kondo mới giải thích được nó một cách thấu đáo về mặt lý thuyết (hiệu ứng Kondo đã được coi là một trong những ứng cử viên của giải Nobel Vật lý). Tuy đã được giải thích nhưng ở hiện tượng Kondo vẫn tồn tại một số dị thường không thể giải quyết được cho đến khi nhà vật lý lý thuyết người Mỹ Kenneth Wilson đưa ra giải pháp tái chuẩn hóa số (numerical renormalization group) vào năm 1974, qua công trình nghiên cứu về các hệ thống phức hợp và các hiện tượng tới hạn 2– sau ông được trao giải Nobel Vật lý năm 1982 do “lý thuyết của ông cho các hiện tượng tới hạn trong kết nối với các chuyển pha” 3.
Dẫu vậy, bài toán về hiệu ứng Kondo mới chỉ giải được trong các hệ vật lý cân bằng còn trong các hệ bất cân bằng thì vẫn là vấn đề thách thức và chưa có lời giải một cách xác quyết. “Đây là một mảnh đất màu mỡ cho các nhà vật lý khai phá, dù nó rất khó”, một nhà vật lý nhận xét. “Ảnh hưởng trực tiếp đến các tính chất truyền dẫn trong các chấm lượng tử bán dẫn hay phân tử, có khả năng ứng dụng cao trong công nghệ vật liệu nano, nên hiệu ứng Kondo không cân bằng rất được quan tâm nghiên cứu. Về mặt lý thuyết, hiệu ứng Kondo còn là trung tâm của các lý thuyết khác nghiên cứu vật liệu tương quan điện tử như trong lý thuyết trường trung bình động nghiên cứu bản chất các chất điện môi Mott, cho nên hiệu ứng Kondo không cân bằng càng được quan tâm nghiên cứu”.
Do đó, TS. Nghiêm Thị Minh Hòa đã thấy ở đây những cơ hội hấp dẫn cho các nhà nghiên cứu trẻ như chị tha hồi vùng vẫy, đặc biệt từ khi được TS. Theo Costi nhận hướng dẫn postdoc, chị cảm thấy “mình như cá gặp nước” và bắt đầu mường tượng về khả năng giải quyết nó.
Tìm phương pháp giải bài toán tồn tại hơn 30 năm
Đứng trước những vấn đề như vậy, câu hỏi đặt ra cho các nhà nghiên cứu là phương pháp nào có thể giải quyết chúng một cách triệt để? Trên thực tế đây là vấn đề khó bởi hệ tương quan điện tử mạnh bất cân bằng có đặc điểm là sự tương quan giữa các điện tử lớn và chúng thay đổi không thuận nghịch theo thời gian. “Các phương pháp nghiên cứu truyền thống đã biết như tính nhiễu loạn, lý thuyết trường trung bình… không sử dụng được, và nếu cứ cố tình áp dụng sẽ cho kết quả không đúng. Do đó, cần có các phương pháp nghiên cứu riêng cho chúng”, một nhà vật lý nhận xét về nỗ lực trong nhiều năm qua của cộng đồng vật lý. TS. Nghiêm Thị Minh Hòa bổ sung, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, “ví dụ phương pháp Monte Carlo lượng tử rất dễ giải quyết được những bài toán của hệ lớn và phức tạp nhưng độ chính xác không cao vì nó có nhiễu, khi tính năng lượng biến đổi theo thời gian thì cái nhiễu đó lại tăng lên. Vì vậy cần có những phương pháp tinh tế hơn để có thể diễn tả được hiện tượng tốt hơn”.
“Phương pháp tinh tế hơn” để giải thích hiện tượng tốt hơn đó đã được TS. Theo Costi và TS. Nghiêm Thị Minh Hòa phát triển trong suốt thời gian chị làm việc tại Đức. Trên cơ sở phương pháp nhóm tái chuẩn hóa số do Kenneth Wilson phát triển, hai thầy trò đã mở rộng thành nhóm tái chuẩn hóa tính số phụ thuộc vào thời gian. Chị giải thích: “Tuy trước đây cũng có một số nhà nghiên cứu đi theo hướng này như Frithjof B. Anders (ĐH Công nghệ Dortmund, Đức) trên Physics Review Letter năm 2005 nhưng tính toán của ông cũng như một số người khác chỉ dừng ở việc đo đạc các đại lượng tĩnh mà chưa giải quyết được sự tiến triển theo thời gian của các đại lượng động, trong khi tôi mong muốn thấy sự chiếm giữ của các điện tử không chỉ phụ thuộc vào năng lượng mà còn cả thời gian nữa, lúc ấy ta sẽ thấy các điện tử dịch chuyển từ các mức năng lượng này sang các mức năng lượng khác khi thời gian biến đổi. Quan sát quá trình đó sẽ rất thú vị”.
Do vậy, TS. Nghiêm Thị Minh Hòa đã thiết lập các công thức tính hàm Green – vốn là những phương pháp tính toán hữu dụng và hiệu quả cho nghiên cứu về các tiến triển động lực học trong hệ tương tác mạnh bất cân bằng, theo nhận định của PGS. TS Đỗ Vân Nam (Viện trưởng Viện PIAS) 4 – qua đó chị đề xuất cách tính số hàm phổ phụ thuộc vào thời gian. Đây là một trong những điểm mang tính mấu chốt của công trình.
Tiến triển theo thời gian của phổ năng lượng. Đỉnh cộng hưởng Kondo hình thành sau khi bị kích thích tại mức năng lượng gần với nhiệt độ Kondo, TK, nhưng không hoàn chỉnh tại các mức năng lượng thấp hơn. Khi thời gian lớn hơn 1/ TK, đỉnh cộng hưởng Kondo hoàn chỉnh.
Khi đi tìm lời giải cho hệ bất cân bằng bằng phương pháp tái chuẩn hóa số phụ thuộc thời gian, chị nhận thấy có một số câu hỏi cần giải quyết: khi nào hệ bất cân bằng sẽ đạt được trạng thái tĩnh sau khi có tác động thay đổi đột ngột các thông số của mô hình mô tả hiệu ứng? thời điểm đó liên quan đến các đại lượng đặc trưng nào của hệ? Rút cục, TS. Nghiêm Thị Minh Hòa và TS. Costi đã không những nêu được đỉnh cộng hưởng Kondo hình thành và hoàn chỉnh ở thời gian nào mà còn vẽ ra được một bức tranh hoàn chỉnh về tiến trình hình thành của đỉnh cộng hưởng Kondo theo thời gian một cách chi tiết mà chưa có nghiên cứu trước đó làm được. Hơn thế, họ đã phát triển được các công thức tính toán tổng quát có thể áp dụng cho các hệ tạp khác ngoài hệ tạp Kondo và cho phép tính toán các hàm tương quan bậc cao nhằm đo đạc các đại lương khác ngoài phổ năng lượng, ví dụ như độ dẫn quang (optical conductivity) phụ thuộc vào cả tần số và thời gian.
Đúng như kỳ vọng, lời giải của hệ bất cân bằng đã đóng vai trò quan trọng để giải quyết những vấn đề tồn tại của vật lý. Theo một nhà nghiên cứu, hiệu ứng Kondo không cân bằng trong công trình có thể giúp kiểm soát các tính chất truyền dẫn trong chấm lượng tử để ứng dụng trong công nghệ vật liệu nano, đặc biệt trong chế tạo các transitor có cấu trúc nano; góp phần giải quyết tốt hơn trong nghiên cứu các chất điện môi Mott khi điều kiện không cân bằng xảy ra – một chất vừa có ý nghĩa về nghiên cứu cơ bản vừa có ý nghĩa ứng dụng cao trong công nghệ vật liệu tiên tiến do khả năng điều khiển được tính chất truyền dẫn/cách điện trong các chất điện môi Mott có thể hữu ích trong chế tạo các vật liệu thay thế vật liệu bán dẫn truyền thống. Đặc biệt, hiệu ứng Kondo trong công trình có khả năng hiện thực hóa thông qua mô phỏng lượng tử, một hướng nghiên cứu hiện đại và có khả năng ứng dụng cao trong tương lai.
Với TS. Nghiêm Thị Minh Hòa, đây là “một dấu mốc quan trọng, nó cho thấy vấn đề mà mình theo đuổi có thể giải quyết được”. Do đó, kể từ khi trở về Việt Nam, thực hiện nghiên cứu một cách độc lập, chị có đủ cơ sở để “bắt đầu làm những gì mình mong muốn, như mở rộng quan sát cho những hệ bất cân bằng gần với thực nghiệm hơn, ví dụ bài toán chùm ion bắn lên bề mặt kim loại đã được nghiên cứu từ những năm 1980 mà chưa giải thích được một số hiệu ứng phi tuyến. Cuộc chơi dường như mới bắt đầu”.
Chấp nhận sức ép công việc
Mặc dù những ý tưởng và phần thực hiện kết quả tính toán của công trình nghiên cứu về hiệu ứng Kondo được thực hiện ở Đức, “ý tưởng hay quá nên phải làm nhanh vì sợ người khác làm mất, do đó ngay thời điểm Noel 2016, cũng sắp về Việt Nam rồi nhưng cả tôi và TS. Costi đều cố gắng thực hiện” – TS. Nghiêm Thị Minh Hòa kể, nhưng một phần quan trọng của công trình đã được thực hiện tại Việt Nam, khi chị đã về đầu quân cho Viện AIST.
Trở về Việt Nam vào tháng 1/2017, cũng như nhiều đồng nghiệp khác, TS. Nghiêm Thị Minh Hòa chấp nhận phải đối mặt với nhiều sức ép, trước hết là một môi trường nghiên cứu không thuận lợi như ở nước ngoài – nơi các nhà nghiên cứu chỉ cần tập trung làm tốt công việc của mình. Giải pháp mà chị đưa ra là chọn một nơi làm việc nào đó có nhiều điểm giống với nơi chị từng làm postdoc. Sau khi tham khảo ý kiến của bạn bè, chị và chồng mình, TS. Đặng Thế Hùng, quyết định nộp hồ sơ về AIST. “Hồi đó mình cũng đắn đo nhưng khi biết nhiều thông tin về AIST thì mình biết chắc chắn là sẽ phải về đó thôi”, TS. Nghiêm Thị Minh Hòa kể lại.
Tuy nhiên, mọi việc không hẳn hoàn hảo như mong đợi, kể cả về bài báo lẫn công việc, ngay cả khi công trình đã được gửi tới tạp chí Physics Review Letter và buổi phỏng vấn đã kết thúc với cái gật đầu của PGS. TS Phạm Thành Huy, viện trưởng AIST khi đó. Chị cho biết: “Bọn mình mới chỉ ký hợp đồng với Viện thôi, chưa được ký với trường. Anh Huy có hứa là mọi việc sẽ tốt hơn”. Vào thời điểm đó, những quan điểm mới về việc nhân sự ở trường đại học Bách khoa Hà Nội khiến người phụ trách như PGS. TS Phạm Thành Huy cũng không thể chủ động nhận người một cách chính thức. “Ngay khi bạn Hòa tới viện phỏng vấn, tôi đã muốn giữ bạn ấy lại nhưng ngặt một nỗi trường chưa muốn ký hợp đồng. Vì vậy, tôi đã quyết định ký hợp đồng cấp viện với hai vợ chồng bạn ấy, PGS. TS Phạm Thành Huy nhớ lại thời điểm “linh động” giải quyết trường hợp của hai vợ chồng TS. Nghiêm Thị Minh Hòa. Với việc “phạm luật” tự ký hợp đồng bằng “quỹ riêng của viện, vốn tồn tại 10 năm nay bằng tiền đóng góp của những người đi trước, dành cho anh em mới về, chưa có đề tài nghiên cứu”, anh đã giữ chân được TS. Nghiêm Thị Minh Hòa ở lại trường Bách khoa Hà Nội.
Nhớ lại quãng thời gian đầu về AIST, tuy mới là hợp đồng cấp Viện, nhưng TS. Nghiêm Thị Minh Hòa không coi đó là vấn đề gì quá quan trọng, bởi với chị, điều quan trọng hơn cả là được làm việc trong một môi trường cởi mở và tôn trọng lẫn nhau. Nhờ vậy, chị có toàn thời gian để giải quyết vấn đề của mình một cách thấu đáo: công trình gửi Physics Review Letter của chị bị gửi lại vào tháng 3/2017 với câu bình của người phản biện “kết quả có nhiều lỗi và không thể đăng được, phải sửa nếu muốn được đăng”. Vậy là “ngồi cả mấy tháng ‘dằn vặt đau đớn’ ở AIST mà không biết lỗi nằm ở đâu, tính toán số sai hay dẫn giải công thức sai”. Rút cục, chị đã phát hiện ra lỗi nằm ở tính toán số dẫn tới kết quả của công trình vi phạm quy tắc tổng phổ. Khi phát hiện ra vấn đề, chị đã xử lý vấn đề một cách gọn gàng và mạch lạc để sửa bài và gửi lại vào tháng 7/2017.
Sau quãng thời gian ở AIST, chị quyết định chuyển sang Viện nghiên cứu tiên tiến PIAS Phenikaa, một môi trường làm việc hoàn toàn mới. Chị nhận định về nơi làm việc mới của mình: “Ở đây chúng tôi có thể yên tâm tập trung vào nghiên cứu chứ không phải để tâm về chuyện tiền bạc. Tất nhiên, chỗ nào cũng có sức ép, ở PIAS là sức ép phải có mạch nghiên cứu liên tục nhưng đây là sức ép mà mình mong muốn và là điều tốt với nhà nghiên cứu”. Một vấn đề khác chị gặp phải là việc tìm sinh viên và cộng sự để thực hiện các dự án đang theo đuổi. “Thực tế đây là vấn đề mình sẽ gặp phải dù làm việc bất kỳ đâu, người làm khoa học ngoài cần khả năng còn cần đam mê. Hy vọng câu truyện ở đây ‘inspire’ các bạn đến làm việc với mình và khoa học nói chung”.
***
Trong những câu chuyện về “nghề vật lý”, TS. Nghiêm Thị Minh Hòa thường nói rằng, “vật lý liên quan đến vấn đề năng lượng, người làm vật lý phải biết các mức năng lượng trong nghiên cứu của mình là gì”. Những suy nghĩ về năng lượng này dường như không chỉ thuộc phạm vi những hệ tương tác mạnh bất cân bằng mà nó còn thuộc một phạm vi rất đời thường khác và trên một hệ quy chiếu khác. Trở về Việt Nam, chị không chỉ được khởi đầu tốt trong nghiên cứu là có công bố trên Physics Review Letter, có đề tài đầu tiên do Quỹ NAFOSTED tài trợ mà còn có thêm niềm vui mới, được ở gần bố mẹ đã đến tuổi nghỉ hưu và được nghe đứa con gái hai tuổi rưỡi có thể bập bẹ tiếng Việt, “nếu ở lại Đức thì sẽ không hẳn Đức, không hẳn Việt, không có gì ‘native’ cả”, chị mỉm cười tự tin về quyết định của mình.
—
1. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304885302006972
2. https://physicsworld.com/a/new-spin-on-ferromagnetic-kondo-effect/
3. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1982/summary/
4. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2043-6262/5/3/033001
