TS. Nguyễn Thị Kim Thanh: 17 năm theo đuổi hiệu ứng Kondo

Con đường đưa TS. Nguyễn Thị Kim Thanh, Trung tâm Vật lý lý thuyết, Viện Vật lý (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam), đến với Giải thưởng Tạ Quang Bửu 2024 được hình thành trên nỗ lực theo đuổi hiệu ứng Kondo trong gần 17 năm.

PGS.TS Nguyễn Hồng Quang, Viện Vật lý, đã có cuộc trao đổi với TS. Nguyễn Thị Kim Thanh sau khi chị được trao giải thưởng danh giá này.

TS. Nguyễn Thị Kim Thanh

PGS. TS Nguyễn Hồng Quang: Công trình đạt giải thưởng Tạ Quang Bửu của bạn là “Truyền dẫn nhiệt điện trong mạch Kondo điện tích ba kênh” [1], một nghiên cứu lý thuyết về các tính chất đặc biệt của một dạng linh kiện điện tử có kích thước nano mét.

TS. Nguyễn Thị Kim Thanh: Nói một cách chung nhất thì đây là kết quả nghiên cứu lý thuyết của nhóm tôi về một dạng linh kiện điện tử có kích thước nano mét (10^-9m). Cho đến nay, tôi đã dành gần 20 năm nghiên cứu về các linh kiện điện tử có kích thước nano-mét và gần 17 năm nghiên cứu về hiệu ứng Kondo trong các linh kiện điện tử này.

Đó là hiệu ứng nhiệt điện, chấm lượng tử, transistor đơn điện tử, hiệu ứng khóa Coulomb, hiệu ứng Kondo, hiệu ứng Kondo điện tích và lý thuyết chất lỏng Fermi của Landau.

Ở đây, hiệu ứng nhiệt điện (thermoelectric effect) là sự chuyển đổi trực tiếp sự chênh lệch nhiệt độ trên mạch điện ghép từ 2 dây dẫn kim loại hay hợp kim khác nhau thành điện áp. Hiệu ứng này được nhà vật lý người Đức Thomas Johann Seebeck phát hiện ra vào năm 1821. Điện áp này có thể được sử dụng để đo nhiệt độ, đặc biệt ở nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp.

Mạch điện để có hiệu ứng nhiệt điện trong nghiên cứu của bạn có liên quan gì đến hiệu ứng Kondo?

Như ta biết, điện trở của kim loại bình thường nói chung đều giảm khi nhiệt độ giảm, bởi vì khi nhiệt độ giảm, dao động mạng tinh thể kim loại yếu đi, nên điện tử tự do chuyển động trong mạng tinh thể dễ dàng hơn (tức ít bị cản trở hơn). Tuy nhiên, khi nhiệt độ tiếp tục hạ xuống dưới khoảng 10K (-263^oC) thì điện trở không giảm tiếp nữa mà trở nên bão hòa do các khuyết tật trong vật liệu. Nói chung đối với các vật liệu kim loại bình thường thì như vậy, ngay đến một số kim loại có độ dẫn điện rất tốt như đồng, vàng, cũng như thế, tức là điện trở vẫn là hữu hạn, không thay đổi ngay cả khi nhiệt độ giảm xuống thấp nhất.

Tuy nhiên một hiệu ứng thú vị sẽ xảy ra nếu ta thêm vào vật liệu kim loại bình thường đó các nguyên tử từ tính, như cobalt chẳng hạn. Khi đó thay vì điện trở bão hòa khi nhiệt độ hạ thấp hơn nữa thì ta lại quan sát thấy điện trở tăng, và như vậy ta quan sát được điểm cực tiểu trong đồ thị điện trở – nhiệt độ. Sự tồn tại cực tiểu trong đồ thị điện trở – nhiệt độ của kim loại ở vùng nhiệt độ thấp trên thực tế đã được quan sát thấy trong nhiều thí nghiệm kể từ những năm 1930 nhưng mãi đến năm 1964 mới có lời giải thích thỏa đáng của nhà vật lý người Nhật Jun Kondo và do vậy hiệu ứng đó mang tên hiệu ứng Kondo.

Hiệu ứng Kondo có ý nghĩa như thế nào trong nghiên cứu vật lý nói chung?

Hiệu ứng Kondo luôn được quan tâm của vì nó cung cấp manh mối để nghiên cứu các tính chất điện tử của nhiều loại vật liệu mà tương tác giữa các điện tử là đặc biệt mạnh, ví dụ như trong các vật liệu fermion nặng và chất siêu dẫn nhiệt độ cao. Ngoài ra, việc nghiên cứu lý thuyết các bài toán Kondo khẳng định và phát triển các phương pháp nghiên cứu quan trọng để giải các bài toán nhiều hạt khác.

Đối tượng nghiên cứu của bạn thực chất là các hệ có kích thước nano mét như chấm lượng tử, bạn có thể nói rõ hơn?

Thực chất đối tượng nghiên cứu của nhóm tôi với GS. Kiselev là các hệ chấm lượng tử với các loại tương tác. Như nhiều người đã biết, chấm lượng tử là một hộp bán dẫn (hay kim loại) nhỏ có thể chứa một số lượng nhỏ điện tử. Các chấm lượng tử có kích thước nano mét thường được gọi là nguyên tử nhân tạo vì tính chất điện tử của chúng khá giống với tính chất điện tử của nguyên tử thực. Hiện nay nhiều nhóm trên thế giới đã khai thác công nghệ chip để chế tạo các linh kiện bán dẫn có kích thước cực nhỏ nhằm nghiên cứu các vấn đề cơ bản trong vật lý.

Chấm lượng tử là một nguyên tử nhân tạo có từ tính (spin 1/2) nếu số điện tử trong chấm là lẻ. Khi đó ta sẽ quan sát được hiệu ứng Kondo trong chấm lượng tử. Lợi thế của chấm lượng tử là so với tâm tạp từ tính trong kim loại khối thì chấm lượng tử cung cấp cho chúng ta nhiều cơ hội mới để điều khiển hiệu ứng Kondo trong thực nghiệm mà điều này không thể thực hiện được trong kim loại khối.

Vì sao truyền dẫn nhiệt điện cũng như hiệu ứng Kondo điện tích vẫn thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu, trong đó có nhóm của bạn và giáo sư Kiselev?

Các thiết bị phát điện, dựa trên hiệu ứng Seebeck, giúp chuyển đổi nhiệt thải thành năng lượng điện đóng một vai trò quan trọng vì một trong các thử thách hiện nay của chúng ta là phát triển các công nghệ năng lượng thay thế để giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải khí nhà kính. Tuy nhiên, các thiết bị nhiệt điện hiện có không được sử dụng phổ biến, một phần do hiệu suất thấp so với chu trình cơ học và những thách thức về mặt kỹ thuật liên quan đến việc sử dụng các thiết bị nhiệt điện. Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ, chúng ta có thể chế tạo các linh kiện có kích thước nano-mét hoạt động ở nhiệt độ thấp, các nhà khoa học đã nhận thấy rằng hiệu suất chuyển đổi nhiệt điện có thể được cải thiện đáng kể nhờ các hiệu ứng lượng tử xuất hiện trong các cấu trúc có số chiều thấp, ví dụ như transistor đơn điện tử. Như vậy, việc nghiên cứu truyền dẫn nhiệt điện trong các linh kiện nano-mét là cấp thiết và sẽ mang lại những lợi ích to lớn về kinh tế và môi trường.

Còn hiệu ứng Kondo điện tích?

Hiệu ứng Kondo điện tích được các GS. Flesberg, Matveev, Furusaki đề xuất từ những năm đầu của thập kỷ 90, tuy nhiên, phải đến năm 2015 mới có thực nghiệm đầu tiên thiết lập thành công mạch Kondo điện tích. Vì vậy, vấn đề Kondo điện tích chỉ thực sự được phát triển trong những năm gần đây. Việc nghiên cứu hiệu ứng Kondo điện tích rất quan trọng, không chỉ để mở rộng hiểu biết về hiệu ứng Kondo mà còn rất cần thiết để hiểu sâu sắc hơn các tính chất của các linh kiện bán dẫn đơn điện tử có kích thức nano-mét. Bên cạnh đó, với các đặc tính nổi trội của các mạch Kondo điện tích, chúng được coi là các mô phỏng lượng tử cho các mạch có khả năng xử lý thông tin lượng tử, qua đó là các ứng viên tiềm năng cho công nghệ chế tạo máy tính lượng tử trong tương lai.

Vì sao chúng tôi nghiên cứu truyền dẫn nhiệt điện trong mạch Kondo điện tích? Mặc dù kết quả cho độ dẫn điện phù hợp với thực nghiệm nhưng nghiên cứu sẽ đầy đủ hơn khi chúng ta khảo sát thêm các đại lượng vật lý khác nữa. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của công suất nhiệt điện có liên quan chặt chẽ với sự phụ thuộc vào nhiệt độ tương ứng của các đại lượng nhiệt động lượng tử cơ bản, giúp cung cấp khả năng tiếp cận entropy lượng tử hóa từng phần (các phép đo độ dẫn điện không cung cấp được điều này).

TS. Nguyễn Thị Kim Thanh và PGS.TS Nguyễn Hồng Quang.

Vậy những kết quả quan trọng trong công trình nghiên cứu này là gì?

Có 8 kết quả đáng chú ý trong công trình này: 1) Lần đầu tiên xây dựng lý thuyết cụ thể về hiệu ứng Kondo ba kênh và tổng quát hóa cho trường hợp tổng quát: số kênh lớn hơn hoặc bằng ba (Các lý thuyết cụ thể trước đây chỉ dừng ở Kondo hai kênh); 2) Lần đầu tiên thảo luận đặc tính nổi bật của mô hình Kondo điện tích đa kênh. Các biểu thức của độ dẫn điện và công suất nhiệt điện phụ thuộc vào nhiệt độ thể hiện tính chất chất lỏng không Fermi. Đặc tính này được liên hệ với tính đối xứng ZM của hệ; 3) Tiên đoán về độ dẫn điện và công suất nhiệt điện trong mạch Kondo điện tích ba kênh (và tổng quát hóa cho trường hợp đa kênh bất kỳ) mang tính phổ quát, các nghiên cứu sau này khảo sát các thiết lập với tương tác hay với dòng điện biên của hiệu ứng Hall lượng tử phân số đều cho kết quả phù hợp với tiên đoán này; 4) Tiên đoán về sự chuyển pha từ ba kênh về hai kênh và đơn kênh khi điều khiển các thông số đầu vào của mạch Kondo điện tích ba kênh; 5) Thảo luận mở ra khả năng nghiên cứu sự tồn tại các hạt parafermion (các thành phần của hạt parafermion tuân theo quy luật đồng hồ và liên quan đến tính đối xứng ZM của hệ) hay Majorana (phản hạt chính là hạt, Majorana là trường hợp parafermion với M=2) trong các mô hình Kondo điện tích đa kênh, một trong các ứng viên tiềm năng trong chế tạo máy tính lượng tử; 6) Các dự đoán và diễn giải mới khác biệt với kiến thức đã có trước đó và không mâu thuẫn với thực nghiệm hiện có; 7) Hơn nữa, công bố đã đề xuất một số thí nghiệm mới có thể làm sáng tỏ quá trình lượng tử hóa và phân đoạn nhiệt sẽ được khảo sát trong các thí nghiệm về truyền dẫn lượng tử; 8) Vì nhiệt điện lượng tử là hướng phát triển nhanh chóng của truyền dẫn lượng tử, chúng tôi dự đoán các kết quả, tiên đoán và đề xuất được đưa ra trong công bố sẽ có tác động đến việc xây dựng và phát triển các phương pháp lý thuyết chính xác (cả tính giải tích và tính số) và thúc đẩy các khảo sát thực nghiệm mới.

Đường đến kết quả được công bố trên PRL

Nghiên cứu về truyền dẫn nhiệt qua chấm lượng tử bạn đã có được kết quả đầu tiên đăng trên tạp chí Physical Review từ năm 2010 đồng tác giả với GS. Kiselev và GS. Kratsov2. Quá trình phát triển nghiên cứu từ đó đến công trình đoạt giải như thế nào?

Tháng 10 năm 2007, tôi bắt đầu chương trình nghiên cứu sau tiến sỹ ở phòng Vật lý các chất cô đặc và vật lý thống kê của Trung tậm Vật lý Lý thuyết Quốc tế Abdus Salam (ICTP). Trước đó, GS. Kiselev đã tham gia với nhóm thực nghiệm của GS. L.W. Molenkamp khảo sát hiệu ứng nhiệt điện trong một hệ chấm lượng tử trong chế độ Kondo, nên khi tôi đề xuất hợp tác, ông đã giới thiệu chủ đề này.

Kết quả nghiên cứu đầu tiên của chúng tôi về chủ đề Kondo điện tích này thu được sau hai năm tôi làm postdoc ở ICTP. Đây là lần đầu tiên tôi nghiên cứu về hiệu ứng Kondo nên có rất nhiều kiến thức phải học từ khái niệm hiện tượng cho đến phương pháp tính. Nhìn chung các bài toán liên quan đến hiệu ứng Kondo đều khó, phải mất nhiều công sức nhưng đầu ra không được nhiều. Mặc dù GS. Kiselev đã nghiên cứu nhiều năm về hiệu ứng Kondo thông thường nhưng đây cũng là lần đầu tiên ông nghiên cứu về hiệu ứng Kondo điện tích nên cũng cần nhiều thời gian để hiểu vấn đề.

Cuối năm 2010, tôi sang Ohio, Mỹ làm tiếp postdoc và công việc nghiên cứu có chút khác đi. Cuối năm 2013, GS. Kiselev đã mời tôi hợp tác trở lại với ông về vấn đề Kondo điện tích có xét đến ảnh hưởng của tương tác spin-quỹ đạo. Thực tế là trước khi rời ICTP năm 2010, tôi đã trao cho giáo sư và bạn postdoc mới toàn bộ tài liệu tôi có, bao gồm cả các bản tính nháp của tôi, nhưng họ đã không thành công. Tháng 2/2014, khi sang ICTP một tháng, tôi đã chỉ ra lỗi sai trong nghiên cứu và tính lại bài toán đó. Tháng 2/2015, tôi được mời sang tiếp ICTP để viết bài và gửi đăng bài đến tạp chí PRB. Năm 2016 GS. Kiselev nói với tôi về bài báo của nhóm thực nghiệm của GS. F. Pierre đăng trên tạp chí Nature. Đây là lần đầu tiên mạch Kondo điện tích hai kênh được thiết lập trong thực nghiệm. Với cách thiết lập này, chúng ta nhìn thấy khả năng thiết lập mạch Kondo điện tích ba kênh và nhiều kênh hơn nữa. Chính vì thế tôi suy nghĩ về việc xây dựng lý thuyết cho mạch Kondo điện tích đa kênh một cách tổng quát. Sau đó, GS. Kiselev đề xuất khảo sát hiệu ứng Seebeck tại liên kết yếu giữa hai cấu trúc Kondo điện tích.

Ý tưởng đề xuất vấn đề nghiên cứu trong công trình đoạt giải xuất hiện như thế nào?

Tôi đã nhen nhóm ý tưởng nghiên cứu truyền dẫn nhiệt điện trong mô hình Kondo điện tích ba kênh nhưng nó trở nên rõ nét nhất sau khi được nghe bài báo cáo miệng của GS. Frédéric Pierre tại hội nghị “Nanophysics, from fundamentals to applications: reloaded” ở Quy Nhơn vào năm 2017. Tôi đã đề xuất với GS. Kiselev về ý tưởng của mình nhưng thực hiện ý tưởng này như thế nào là một câu hỏi khó ngay từ đầu. Trong thời gian sau đó, mặc dù đang thực hiện các đề tài khác, tôi vẫn suy nghĩ để tìm ra cách giải quyết vấn đề. Tôi đã đề xuất sự kết hợp tuyến tính của các trường boson để giới thiệu các trường mới là điện tích, giả spin, và hương theo đại số Cartan. Đây là ý tưởng mấu chốt để hiện thực hóa ý tưởng khảo sát bài toán Kondo ba kênh theo phương pháp boson hóa.

Vấn đề nghiên cứu đã được lựa chọn và quá trình triển khai thực hiện như thế nào?

Thử thách lớn nhất và đầu tiên là sự đổi biến, tức là dùng đại số Cartan để có các trường boson mới là tổ hợp tuyến tính của các trường boson ban đầu. Tôi đã tìm ra hướng giải quyết này sau nhiều ngày tháng suy nghĩ về các khả năng khả dĩ cũng như tìm tài liệu liên quan trên mạng. Tháng 11/2018, tôi và GS. Mikhail Kiselev đã gặp nhau ở Trung tâm Vật lý về Các hệ phức hợp, Viện Khoa học Cơ bản của Hàn Quốc (PCS-IBS) trong khuôn khổ hoạt động của mạng ICTP châu Á, tôi đã nói với GS. Kiselev là đã tìm ra cách giải bài toán và cho ông xem kết quả tính cho độ dẫn điện, ông ấy đã thực sự xúc động. Ông đã từng nói về “một công bố trên Science” về vấn đề này.

Tôi tiếp tục thực hiện các tính toán ở Hà Nội và hoàn thành lời giải nhiễu loạn trước chuyến công tác đến ICTP vào mùa hè năm 2019 với tư cách là cộng tác viên thường xuyên trong 40 ngày. Tại đây, nhóm tôi tiếp tục thảo luận về bài toán này, tập trung vào cách tính không nhiễu loạn. Lời giải không nhiễu loạn liên quan đến quá trình tái-fermion-hóa. Tôi tiếp tục nghiên cứu lời giải không nhiễu loạn khi trở về Hà Nội. Tuy nhiên, đây là một thử thách lớn, không dễ dàng giải quyết trong một vài năm, nên chúng tôi quyết định công bố kết quả của lời giải nhiễu loạn. Tôi đã viết những bản thảo đầu tiên của bài báo tại Hà Nội.

GS. Mikhail Kiselev đã đến Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KH&CN VN (IOP-VAST) làm việc với tôi với sự tài trợ một phần từ Trung tâm Vật lý Quốc tế (ICP-VAST). Chúng tôi đã thảo luận và hoàn thành bản thảo để gửi đăng ở tạp chí PRL.

GS. Kiselev đã gửi bản thảo của bài báo cho một số chuyên gia trong lĩnh vực này để họ nhận xét và đã nhận được tất cả các phản hồi tích cực, trong đó, phản hồi của GS. F. Pierre (nhà Vật lý thực nghiệm) rất quan trọng. Tôi đã gửi bản thảo đến tạp chí PRL vào đêm 24/11/2019 từ Hà Nội.

Trong quá trình thực hiện để đi đến công bố bạn đã gặp những vấn đề hay thử thách nào không? Và bạn đã vượt qua chúng như thế nào?

Từ khi có ý tưởng đến lúc bản thảo được công bố là một loạt thử thách mà cứ giải quyết xong thử thách này thì lại thấy thử thách khác xuất hiện, giống như ta đi leo núi vậy, vượt qua một ngọn núi này lại thấy xuất hiện ngọn núi kế tiếp. Đấy là quá trình bình thường của công việc nghiên cứu nên tôi cứ từ từ suy nghĩ, tìm tài liệu để xem những thử thách đó đã xuất hiện trong các công bố trước đó không, chúng được giải quyết như thế nào.

Tôi có một kỷ niệm không bao giờ quên được là vào tháng 2/2020, đến ICTP trong 60 ngày theo chương trình cộng tác viên. Thật không may, sau gần ba tuần, đại dịch Covid-19 bùng phát ở Ý, tôi đã trải qua ba tháng bị mắc kẹt trong căn nhà thuê ở trung tâm thành phố Trieste. Lo sợ và hoảng loạn, không dám đi siêu thị nên ăn uống kham khổ kiểu duy trì sự sống, đã khiến tôi phải cấp cứu hai lần vì đau dạ dày. Niềm an ủi lớn là chúng tôi đã trả lời các câu hỏi của các phản biện không mấy khó khăn. Và hạnh phúc vỡ òa khi đang mong chờ được về nước thì bản thảo được nhận đăng ở tạp chí PRL.

Để đạt được kết quả đã được ghi nhận, ngoài nỗ lực, bạn thấy những yếu tố nào khác đã giúp bạn thành công?

Tình yêu, sự đam mê là yếu tố then chốt để tạo nên thành công nhưng tình yêu đó cũng cần được nuôi dưỡng. Hơn 10 năm nay tôi “sống ổn” để tập trung cho nghiên cứu là nhờ sự tài trợ của Quỹ NAFOSTED. Bên cạnh đó, việc được sang ICTP công tác trung bình một tháng mỗi năm trong sự hợp tác lâu năm với GS. Kiselev cũng tạo động lực lớn để duy trì và phát triển nghiên cứu. Gần đây, mạng lưới ICTP châu Á đã tạo được sự gắn kết chặt chẽ trong các nước thành viên. Trò chuyện, trao đổi, báo cáo ở các cuộc gặp gỡ thôi thúc các thành viên của mạng lưới tích cực và chủ động hơn trong hợp tác nghiên cứu. Quan điểm của tôi là tìm đến những người giỏi để học tập từ họ, hợp tác để nâng cao chất lượng nghiên cứu. Khoa học, nhất là khoa học cơ bản, thì không có biên giới. Điều quan trọng là kết quả nghiên cứu của mình có giá trị như thế nào, đóng góp vào khoa học nói chung ra sao.

Do đó, tôi hy vọng là nhà nước có nguồn hỗ trợ kinh phí để các nhà nghiên cứu trẻ có thể yên tâm học tập trong một vài năm trước khi có thể nghiên cứu thực sự. Và tôi cũng rất mong chờ được đón các bạn trẻ, để cùng nhau xây dựng một nhóm nghiên cứu chất lượng cao ở Trung tâm Vật lý lý thuyết.

Rất cảm ơn bạn về một buổi trò chuyện lý thú và hy vọng rằng bạn đọc sẽ hiểu được phần nào những thành công khoa học của bạn đã đạt được mà còn hiểu thêm nhiều điều đằng sau thành công ấy.

——————————————————-

Tài liệu tham khảo
“Thermoelectric Transport in a Three-Channel Charge Kondo Circuit”, T. K. T. Nguyen and M. N. Kiselev, Physical Review Letters 125, 026801 (2020)
“Thermoelectric Transport through a Quantum Dot: Effects of Asymmetry in Kondo Channels”, T.K.T.Nguyen, M.N.Kiselev, V.A.Kratvsov, Physical Review B 82, 113306 (2010)

Theo khoahocphattrien.vn