Từ nguyên lý vật lý đến nền công nghiệp điện tử hiện đại (kỳ 2)

Hành trình khám phá thế giới vật liệu thông qua các nguyên lý và phương pháp luận của Cơ học lượng tử đã mở ra một hướng đi đầy hấp dẫn — từ các khái niệm vật lý trừu tượng đến sự hình thành của những linh kiện điện tử nhỏ bé nhưng sở hữu sức mạnh vượt trội, đặt nền móng cho toàn bộ kỷ nguyên công nghiệp hiện đại.

Điều cần nhấn mạnh là: đây không phải hai tiến trình song song – một thuộc về khoa học, một thuộc về công nghệ – mà là hai mặt của cùng một tiến trình phát triển thống nhất. Khoa học cung cấp cái nhìn sâu sắc về bản chất của thế giới tự nhiên, còn công nghệ biến những hiểu biết ấy thành năng lực vật chất và động lực xã hội.

Chẳng hạn, lý thuyết điện từ của James Clerk Maxwell không chỉ là một thành tựu vật lý vĩ đại mà còn là nền tảng cho toàn bộ ngành kỹ thuật điện hiện đại. Nhờ nắm bắt được các quy luật của điện và từ, các kỹ sư đã thiết kế được hệ thống truyền tải điện năng, phát minh ra máy phát điện, động cơ điện, và từ đó tạo dựng ngành công nghiệp điện. Đặc biệt, việc nhận ra ánh sáng là sóng điện từ từ các phương trình của Maxwell đã mở đường cho sự ra đời của ngành viễn thông và công nghệ truyền thông vô tuyến.

Khi dòng điện không còn chỉ là nguồn năng lượng mà trở thành phương tiện truyền tải thông tin, nhu cầu điều khiển và xử lý dòng điện một cách chủ động, chính xác và nhanh chóng trở nên thiết yếu. Từ nhu cầu đó, các linh kiện điện tử bắt đầu ra đời.

Bước ngoặt đầu tiên chính là sự xuất hiện của bóng đèn chân không ba cực (triode), một thiết bị cho phép điều khiển dòng điện bằng tín hiệu điện. Đây là cột mốc đánh dấu sự chuyển mình từ “điện học” sang “điện tử học”, nơi dòng điện không chỉ mang năng lượng mà còn mang thông tin. Tuy nhiên, bóng đèn chân không có nhiều hạn chế: kích thước lớn, tiêu tốn năng lượng, độ bền thấp và hoạt động không ổn định. Những bất cập này đã thôi thúc các nhà nghiên cứu tìm kiếm giải pháp mới – nhỏ gọn hơn, bền bỉ hơn và hiệu quả hơn. Và chính điều đó đã dẫn đến sự ra đời của transistor vào năm 1947 tại Bell Labs, đánh dấu sự mở đầu cho kỷ nguyên vi điện tử. Transistor đầu tiên dựa trên các tính chất điện độc đáo của chất bán dẫn, từ đó mở ra khả năng tích hợp và điều khiển điện tử ở cấp độ vi mô.

Sự ra đời của transistor – đặc biệt là cấu trúc MOSFET – chính là bước ngoặt mang tính lịch sử, kết tinh từ lý thuyết lượng tử về vật liệu và trình độ chế tác cực kỳ chính xác ở cấp độ nguyên tử.

Trên thực tế, từ trước Thế chiến II, các tiếp xúc kim loại–bán dẫn trong máy thu radio đã cho thấy tiềm năng công nghệ của chất bán dẫn, dù hiểu biết lý thuyết còn hạn chế. Chỉ đến khi lý thuyết vùng năng lượng của electron được phát triển vào thập niên 1930–1940, nhờ các phương pháp lượng tử học, con người mới lý giải được vì sao chất bán dẫn lại có tính chất dẫn điện khác biệt so với kim loại và chất điện môi. Các khái niệm quan trọng như giả hạt (quasi-particle), lỗ trống (hole), tiếp giáp pn (pn junction) và pha tạp (doping) ra đời, hình thành nền tảng cho thiết kế linh kiện điện tử hiện đại.

Từ cơ sở này, nhiều loại linh kiện đã được phát minh: từ các thiết bị hoạt động theo nguyên lý vĩ mô như transistor lưỡng cực (BJT), transistor hiệu ứng trường (MOSFET) và mạch tích hợp (IC), cho đến các thiết bị khai thác trực tiếp hiệu ứng lượng tử như chui hầm (tunneling), lượng tử hóa mức năng lượng hay phân cực spin – ví dụ như diode tunnel, transistor HEMT và các cấu trúc dị thể hai chiều. Một số linh kiện thậm chí được thiết kế hoàn toàn dựa trên trạng thái lượng tử, như các qubit siêu dẫn sử dụng tiếp xúc Josephson, có khả năng khai thác chồng chập, rối lượng tử và tính kết hợp pha.

Ngày nay, các linh kiện này thường được kết hợp trong cùng một hệ thống, mỗi loại đảm nhiệm một chức năng riêng biệt nhằm tối ưu hóa hiệu năng tổng thể. Tuy nhiên, cần nhấn mạnh rằng sự ra đời của transistor – đặc biệt là cấu trúc MOSFET – chính là bước ngoặt mang tính lịch sử, kết tinh từ lý thuyết lượng tử về vật liệu và trình độ chế tác cực kỳ chính xác ở cấp độ nguyên tử. Thành tựu này là kết quả của những hiểu biết sâu sắc từ Shockley, Bardeen và Brattain về cơ chế vận chuyển điện tích trong vật liệu bán dẫn và các lớp tiếp xúc.

Một khi nút thắt lý thuyết được tháo gỡ, cánh cửa kỹ thuật mở ra. Bước tiến vĩ đại của ngành công nghiệp điện tử không chỉ nằm ở việc phát minh ra linh kiện, mà còn ở khả năng sản xuất hàng loạt và tích hợp chúng trên cùng một nền vật liệu. Ngày nay, hàng triệu đến hàng tỷ linh kiện có thể được chế tạo đồng thời trên một đế bán dẫn duy nhất với độ chính xác ở cấp độ nano. Khi được tổ chức thành các cấu trúc logic, bộ nhớ và xử lý tín hiệu, chúng tạo thành các con chip hiện đại – nơi vật chất trở thành hiện thân vật lý của logic học, toán học rời rạc và ngôn ngữ số. Vật liệu không còn là một thực thể thụ động, mà là phương tiện chủ động mang, xử lý và chuyển hóa thông tin.

Công nghệ chính là cầu nối then chốt đưa tri thức khoa học trở thành sức mạnh quốc gia – một sức mạnh mang tính nền tảng, khó bị thay thế, và có ý nghĩa quyết định trong thế kỷ XXI.

Đỉnh cao hiện tại của công nghệ điện tử đang đặt nền móng cho cuộc cách mạng thông tin tương lai: siêu máy tính xử lý lượng dữ liệu khổng lồ, mạng truyền thông tốc độ ánh sáng, và kết nối toàn cầu qua cáp quang và vệ tinh. Tuy nhiên, những giới hạn trong kiến trúc mã hóa và xử lý thông tin hiện tại đang trở thành rào cản cho việc phát triển một nền trí tuệ nhân tạo thực sự mạnh mẽ.

Những thách thức này đã sớm được cộng đồng khoa học nhận diện, và nhiều hướng tiếp cận tiên phong đang dần hình thành thông qua việc khám phá sâu hơn bản chất phong phú và phức tạp của thế giới lượng tử. Thay vì chỉ tập trung vào việc nghiên cứu các đặc tính vật liệu, xu hướng hiện nay là tận dụng trực tiếp các trạng thái lượng tử để mã hóa và xử lý thông tin. Dù những nguyên lý nền tảng đã phần nào được thiết lập, việc hiện thực hóa chúng thành các kiến trúc kỹ thuật khả thi – từ tầng vật lý đến tầng logic – vẫn là một thách thức lớn. Tuy vậy, một thế hệ linh kiện hoàn toàn mới đang dần định hình, được kiến tạo trên nền tảng lượng tử, và mang theo kỳ vọng sẽ tái định nghĩa toàn bộ tương lai công nghệ tính toán, mở ra một kỷ nguyên công nghiệp hoàn toàn mới.

Từ khoa học đến sức mạnh quốc gia: Vai trò trung tâm của công nghệ

Trước thế kỷ XIX, tri thức khoa học chủ yếu hiện diện như một loại kiến thức tinh hoa, chỉ giới hạn trong tầng lớp trí thức, học giả hoặc quý tộc. Cấu trúc xã hội phân tầng, điều kiện tiếp cận hạn chế, cùng với sự thiếu vắng các phương tiện truyền bá hiệu quả đã khiến khoa học trở thành một lĩnh vực mang tính biểu tượng hơn là thực tiễn, tựa như những “ngọn đèn le lói” trong tháp ngà – cao quý, nhưng xa rời nhu cầu của số đông.

Tuy nhiên, cùng với sự tăng trưởng dân số và quá trình tích lũy tài nguyên, tri thức khoa học dần được nhìn nhận như một nguồn lực có thể khai thác. Đặc biệt kể từ các cuộc cách mạng công nghiệp, khoa học đã vượt khỏi vai trò thuần nhận thức để trở thành công cụ sản xuất, gắn chặt với nhu cầu thực tiễn của xã hội. Từ đây, khoa học bắt đầu vận hành theo định hướng mục tiêu: giải quyết vấn đề, phát triển công nghệ, nâng cao năng suất lao động và tạo dựng ưu thế cạnh tranh về kinh tế, an ninh và quốc phòng. Trong bối cảnh hiện đại, khoa học-công nghệ đã trở thành một “bí kíp chiến lược”, một “cây đũa thần” góp phần quyết định vị thế của các quốc gia trên trường quốc tế.

Khác với thời kỳ đầu khi các phát minh chủ yếu nhằm giải quyết những vấn đề kỹ thuật cụ thể, ngày nay hoạt động khoa học và công nghệ mang tầm vóc chiến lược, với các mục tiêu dài hạn và định hướng vĩ mô rõ ràng. Các quốc gia tiên tiến đều đầu tư có hệ thống vào nghiên cứu, phát triển và làm chủ công nghệ – không chỉ để nâng cao chất lượng sống, mà còn để đảm bảo an ninh, củng cố quốc phòng và tăng cường năng lực tự cường. Công nghệ, từ chỗ là sản phẩm phụ của khoa học, đã trở thành một trụ cột trung gian quan trọng, nơi tri thức khoa học được chuyển hóa thành năng lực thực thi và sáng tạo, ảnh hưởng sâu sắc tới cấu trúc xã hội, đời sống kinh tế và tiềm lực quốc gia.

Đổi mới sáng tạo không thể nảy sinh nếu thiếu hiểu biết cốt lõi; một nền công nghiệp tự cường không thể được xây dựng nếu không làm chủ công nghệ lõi; công nghệ lõi sẽ không tồn tại nếu thiếu các lực lượng nghiên cứu vững mạnh.

Thực tiễn cho thấy, những quốc gia có năng lực nội sinh công nghệ – đặc biệt là trong các lĩnh vực công nghệ lõi – luôn nắm giữ vai trò chủ đạo trong trật tự toàn cầu. Trên nền tảng nguồn nhân lực chất lượng cao, khả năng làm chủ công nghệ không chỉ đem lại tăng trưởng kinh tế bền vững mà còn mở rộng không gian chiến lược trên các lĩnh vực trọng yếu như an ninh, năng lượng, y tế và quốc phòng. Công nghệ, theo đó, chính là cầu nối then chốt đưa tri thức khoa học trở thành sức mạnh quốc gia – một sức mạnh mang tính nền tảng, khó bị thay thế, và có ý nghĩa quyết định trong thế kỷ XXI.

Kết luận

Một thế kỷ đã trôi qua kể từ khi lý thuyết lượng tử, cùng với hệ phương pháp đặc thù, được hình thành và áp dụng vào việc khám phá thế giới tự nhiên, đặc biệt là cấu trúc và tính chất của vật liệu. Ngày nay, chúng ta đã nhìn thấy rõ mối liên hệ hữu cơ và sâu sắc giữa khoa học cơ bản và công nghệ hiện đại. Từ những hiểu biết nền tảng về thế giới vi mô, các nhà khoa học đã mở ra không gian thiết bị hoàn toàn mới, nơi không chỉ các đại lượng vật lý như điện tích và spin mà các trạng thái phân cực của ánh sáng cũng như các trạng thái lượng tử nói chung có thể được điều khiển như những đơn vị mang thông tin.

Câu chuyện này vẫn đang tiếp diễn và ngày càng được đào sâu. Những thế hệ thiết bị lượng tử kế tiếp đang được phát triển trong các phòng thí nghiệm trên toàn cầu, với tiềm năng làm thay đổi tận gốc cách chúng ta tính toán, đo lường và truyền tải thông tin.

Từ hành trình đó, một bài học quan trọng được rút ra: tri thức khoa học là tài sản chung của nhân loại. Việc tiếp thu tri thức không thể chỉ dừng ở học hỏi và kế thừa một chiều, mà cần đạt được sự chủ động vươn tới trình độ thực sự sâu sắc, có khả năng đóng góp vào quá trình kiến tạo tri thức và thúc đẩy đổi mới thực tiễn. Đổi mới sáng tạo không thể nảy sinh nếu thiếu hiểu biết cốt lõi; một nền công nghiệp tự cường không thể được xây dựng nếu không làm chủ công nghệ lõi; công nghệ lõi sẽ không tồn tại nếu thiếu các lực lượng nghiên cứu vững mạnh; và lực lượng ấy không thể hình thành nếu chỉ dựa vào kỹ sư mà không có sự tham gia của đội ngũ các nhà khoa học. Mọi điều như vậy đều bắt đầu từ một nền giáo dục thực sự chất lượng – nơi nuôi dưỡng đội ngũ nhân lực ưu tú cho khoa học cơ bản, công nghệ ứng dụng và quản trị xã hội.

Tất nhiên, mọi nỗ lực phát triển bền vững đều phải được đặt trên nền móng ổn định về kinh tế, an ninh và quốc phòng.

Nhìn lại tiến trình hình thành và phát triển của lý thuyết lượng tử – một trong những thành tựu tập thể tiêu biểu nhất trong lịch sử khoa học – có thể thấy vai trò nổi bật của nhiều nhà khoa học người Đức hoặc trưởng thành trong môi trường học thuật Đức. Dù vào thời điểm đó, giao lưu thông tin còn rất hạn chế, chúng ta vẫn chứng kiến sự xuất hiện gần như đồng thời của nhiều trí tuệ kiệt xuất. Điều này chỉ có thể lý giải bởi việc tư duy khoa học đã thâm nhập sâu vào đời sống xã hội, nơi việc nghiên cứu, phản biện và sáng tạo được vun đắp một cách hệ thống, bền bỉ và đồng bộ. Chính hệ sinh thái tri thức đó đã tạo nên những đột phá nền tảng mang giá trị toàn nhân loại.□

*PGS. TS Đỗ Vân Nam nghiên cứu và giảng dạy  tại ĐH Phenikaa

Bài đăng Tia Sáng số 11/2025