IBM và bộ phim nhỏ nhất thế giới

“Cậu bé và Nguyên tử” được Sách Kỷ lục Guinness công nhận là bộ phim Stop-Motion nhỏ nhất thế giới. Bộ phim sử dụng hàng nghìn nguyên tử được sắp đặt một cách chính xác để tạo ra gần 250 khung hình tĩnh stop-motion, thu nhỏ màn ảnh lớn xuống đến cấp độ nguyên tử. Bộ phim kể về một nhân vật tên là Atom (Nguyên tử) đã kết bạn với một nguyên tử và cùng chơi đùa với nhau, từ khiêu vũ đến đuổi bắt và nhún nhảy trên một tấm đệm căng bằng bạt. Trên nền nhạc vui nhộn, bộ phim là một cách tiếp cận độc đáo để truyền tải về khoa học cho cộng đồng không thuộc giới nghiên cứu.

* Stop-motion: Thuật ngữ để chỉ những đoạn phim được tạo nên bởi hàng loạt những hình ảnh chụp tĩnh ** Kính hiển vi quét chui hầm (Scanning tunneling microscope, viết tắt là STM): là một loại kính hiển vi phi quang học, được sử dụng để quan sát hình thái học bề mặt của vật rắn hoạt động dựa trên việc ghi lại dòng chui hầm của điện tử khi sử dụng một mũi dò quét trên bề mặt mẫu. STM là một công cụ mạnh để quan sát cấu trúc bề mặt của vật rắn với độ phân giải tới cấp độ nguyên tử. STM lần đầu được phát minh năm 1981 và hai nhà khoa học Gerd Binnig và Heinrich Rohrer (IBM, Zürich) đã giành giải Nobel Vật lý năm 1986 cho phát minh này.

Để sản xuất bộ phim, các nguyên tử được di chuyển bằng một kính hiển vi quét chui hầm** (scanning tunneling microscope) do IBM phát minh và giành giải Nobel. “Đây là thiết bị đầu tiên cho phép các nhà khoa học nhìn rõ hình ảnh của thế giới đến tận cấp độ từng nguyên tử,” ông Christopher Lutz, một nhà khoa học thuộc Bộ phận IBM Research phát biểu. “Chiếc kính hiển vị này có trọng lượng 2 tấn, hoạt động ở nhiệt độ -268oC và phóng đại bề mặt nguyên tử lên hơn 100 triệu lần. Khả năng kiểm soát nhiệt độ, áp lực và rung chấn ở những cấp độ chính xác giúp cho phòng thí nghiệm của IBM Research trở thành một trong số rất ít nơi trên thế giới có khả năng di chuyển các nguyên tử với độ chính xác đến như vậy.”

Thông qua một chiếc máy tính thông thường, các nhà nghiên cứu của IBM đã sử dụng chiếc kính hiển vi này để điều khiển một đầu kim cực mảnh trên bề mặt vật liệu bằng đồng nhằm "cảm nhận" về các nguyên tử. Chỉ cách bề mặt có 1 na-nô mét, tức là một phần một tỷ của mét, đầu kim này tạo ra ái lực với các nguyên tử và phân tử trên bề mặt và nhờ đó kéo chúng đến một vị trí được quy định chính xác trên bề mặt. Khi nguyên tử di chuyển, nó tạo ra một âm thanh đặc trưng, và đây chính là tín hiệu phản hồi để xác định xem nguyên tử này đã thực sự di chuyển qua bao nhiêu vị trí.

Trong quá trình sản xuất bộ phim, các nhà khoa học đã chụp lại các hình ảnh tĩnh của từng vị trí sắp xếp nguyên tử, và kết quả là đã tạo ra 242 khung hình đơn.

“Di chuyển các nguyên tử không phải là điều quá khó, nhưng nắm bắt, định vị và xếp hình các nguyên tử để tạo thành một bộ phim ở cấp độ nguyên tử lại là phạm trù của khoa học chính xác, và là một lĩnh vực hoàn toàn mới,” ông Andreas Heinrich, Thẩm định viên chính của IBM Research phát biểu. “Tại IBM, các nhà nghiên cứu không chỉ đơn thuần là tìm hiểu các kết quả khoa học mà chúng tôi còn hiện thực hóa nó. Bộ phim này là một cách nhẹ nhàng để chia sẻ về thế giới nguyên tử, mở ra những ngưỡng cửa mới về toán học và khoa học cho sinh viên và những người bình thường.”

Việc sản xuất bộ phim nhỏ nhất thế giới không hẳn là một lĩnh vực hoàn toàn mới đối với IBM. Trong nhiều thập kỷ qua, các nhà khoa học của IBM Research đã nghiên cứu các vật liệu ở kích thước na-nô nhằm khám phá những giới hạn về lưu trữ dữ liệu, bên cạnh nhiều vấn đề khác nữa.

Sử dụng những đối tượng nhỏ nhất để có thể tạo ra các thiết bị lưu trữ dữ liệu – những nguyên tử đơn lẻ – cũng chính nhóm các nhà nghiên cứu của IBM đã sản xuất ra bộ phim nhỏ nhất thế giới này mới đây đã tạo ra “bit từ tính” (magnetic bit) nhỏ nhất thế giới. Họ cũng là những người đầu tiên trả lời được câu hỏi là cần phải có bao nhiêu nguyên tử để có thể lưu trữ một cách tin cậy một bit thông tin từ tính. Và câu trả lời là 12, trong khi phải cần đến 1 triệu nguyên tử để lưu trữ một bit dữ liệu trên một chiếc máy tính hay thiết bị điện tử hiện tại. Nếu được thương mại hóa, đến một ngày nào đó, bộ nhớ nguyên tử này có thể lưu trữ tất cả những bộ phim từng được sản xuất từ trước đến nay trên một thiết bị có kích thước chỉ nhỏ bằng chiếc móng tay.

“Nghiên cứu có nghĩa là đặt ra những câu hỏi vượt ra ngoài phạm vi những câu hỏi thông thường vốn chỉ để tìm kiếm các giải pháp kỹ thuật để giải quyết các vấn đề ngắn hạn. Khi mà việc tạo ra và sử dụng dữ liệu tiếp tục gia tăng, môi trường lưu trữ dữ liệu cũng cần phải trở lên nhỏ hơn, xuống đến tận cấp độ nguyên tử,” ông Heinrich cho biết thêm. “Trong quá trình sản xuất bộ phim này, chúng tôi đã ứng dụng những kỹ thuật từng được sử dụng để đưa ra các kiến trúc điện toán mới và các biện pháp khác để lưu trữ dữ liệu.”

Trong suốt lịch sử 101 năm hình thành và phát triển của công ty, IBM đã liên tục dành những khoản đầu tư lớn cho hoạt động nghiên cứu khoa học để định hình tương lai của ngành điện toán. Công bố ngày hôm nay là minh chứng về kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học hàng đầu thế giới của IBM, cũng như sự chú trọng đầu tư của IBM vào hoạt động nghiên cứu khoa học, mở ra một hệ thống có khả năng lưu trữ dữ liệu khổng lồ trong tương lai.