Hoạt hình tĩnh vật (stop animation) là một thể loại phim hoạt hình đòi hỏi sự đầu tư lớn về thời gian và tính tỉ mỉ. Nhưng mới đây, nhóm các nhà khoa học tại viên nghiên cứu IBM Research, Almaden, California đã thực hiện một công việc còn công phu hơn đó là sử dụng kính hiển vi quét chui hầm STM để tạo ra đoạn phim hoạt hình tĩnh vật nhỏ nhất thế giới bằng các nguyên tử. Mục đích của đoạn phim là nhằm thu hút sự quan tâm của cộng đồng về công nghệ mới có thể làm tăng bộ nhớ máy tính lên rất nhiều lần so với hiện nay.
Bộ phim có tựa đề "A Boy and His Atom" được thực hiện bằng cách sắp xếp vị trí các nguyên tử để định hình 242 khung hình tĩnh từ đó tạo ra các hình ảnh chuyển động. Bộ phim nói về một nhân vật có tên Atom, anh chàng này kết bạn với một nguyên tử và cả 2 cùng chơi với nhau, nhảy múa, đuổi bắt và tung mình trên một tấm bạt lò xo.
Andreas Heinrich, nghiên cứu trưởng tại IBM Research cho biết: "Việc nắm bắt, sắp xếp và định hình các nguyên tử để tạo ra một bức ảnh động cở bản trên cấp độ nguyên tử là một công tác khoa học đòi hỏi sự chính xác cao và rất mới lạ. Tại IBM, các nhà nghiên cứu không chỉ tìm hiểu về khoa học mà chúng tôi phải làm khoa học. Đoạn phim này là một cách vui vẻ để chia sẻ với mọi người về thế giới ở tỉ lệ nguyên tử đồng thời mở ra một cuộc đối thoại với các bạn sinh viên và những ai quan tâm về những giới hạn mới của toán học và khoa học."
Cận cảnh kính hiển vi quét chui hầm STM.
Được phát triển vào năm 1981 bởi Gerd Binnig và Heinrich Rohrer tại IBM Zürich, kính hiển vi quét chui hầm (Scanning Tunneling Microscope - STM) hoạt động dựa trên nguyên lý chui hầm lượng tử - một hiệu ứng mô tả sự chuyển dịch của hệ vật chất từ trạng thái này sang trạng thái khác mà không bị ngăn cản bởi các quy luật vật lý cổ điển. STM sử dụng một mũi dò nhọn có kích thước bằng một nguyên tử. Đầu dò được đặt vào một điện tích và di chuyển rất nhanh, rất gần trên bề mặt của một vật mẫu. Nếu nó bắt gặp một nguyên tử, hiệu ứng chui hầm lượng tử sẽ khiến các electron truyền qua lại giữa đầu dò và nguyên tử. Máy tính có thể phân tích hoạt động này và tính toán vị trí của nguyên tử, từ đó thiết lập hình ảnh nguyên tử. Đây là một quy trình rất tỉ mỉ phải được thực hiện dưới nhiều điều kiện được kiểm soát nghiêm ngặt và tại các mốc nhiệt độ siêu thấp.
"Chiếc kính hiển vi quét chui hầm từng đoạt giải Nobel Vật Lý nói trên là thiết bị đầu tiên cho phép các nhà khoa học hình dung được thế giới ở tỉ lệ nguyên tử," Christopher Lutz - nhà nghiên cứu khoa học tại IBM Research cho biết. "Nó nặng những 2 tấn, hoạt động ở nhiệt độ -268 độ C và có thể phóng to bề mặt của một nguyên tử lên 100 triệu lần. Khả năng kiểm soát nhiệt độ, áp suất và chấn động ở nhiều mức độ một cách chính xác đã khiến phòng thí nghiệm IBM Research trở thành một trong số ít những cơ sở trên thế giới có thể di chuyển các nguyên tử với độ chính xác cực cao."
Sự tương tác giữa đầu dò và nguyên tử tương tự sự tương tác trong phản ứng hóa học, giúp các nguyên tử dính vào nhau. Điều này cho phép kính hiển vi STM có thể được sử dụng như một chiếc cần cẩu lượng tử để gắp các nguyên tử và dịch chuyển chúng đến chính xác nơi mà các nhà khoa học mong muốn.
Để thực hiện đoạn phim, họ sử dụng một bề mặt bằng đồng đặt cách đầu dò của STM chỉ 1 nanomet. Các nguyên tử được sắp xếp trên bề mặt bằng một phương pháp rất sáng tạo. Kính hiển vi STM không thể cùng lúc vừa di chuyển nguyên tử vừa ghi lại hình ảnh của chúng nên các nhà khoa học đã thiết kế lại chiếc máy để nó tạo ra âm thanh phản hồi khi nguyên tử chuyển động. Qua đó, họ có thể biết được khi nào nó chuyển từ một vị trí sang vị trí tiếp theo. Bằng cách này, các nguyên tử có thể được tái sắp xếp để thiết lập các khung hình và tạo ra hình ảnh động.
Sự kết thúc của định luật Moore:
Qua đoạn phim, các nhà khoa học tại IBM Almaden muốn thu hút sự chú ý của cộng đồng đến với mục tiêu vượt qua một rào cản sẽ xuất hiện trong tương lai gần của ngành công nghiệp máy tính. Rào cản này còn được biết đến với tên gọi định luật Moore. Theo định luật Moore, "mật độ của các bán dẫn trên mỗi đơn vị inch vuông sẽ tăng gấp đôi sau 2 năm". Tuy nhiên, điều các nhà khoa học lo ngại là thời gian tăng số đôi của các bán dẫn trên một đơn vị diện tích đang bị kéo dài ra và nếu kích cỡ của bán dẫn không thể được thu nhỏ thêm nữa (khi kiến trúc của bán dẫn được rút xuống mức độ phân tử), định luật Moore sẽ bị phá vỡ.
Với suy nghĩ này, IBM đã sử dụng phương pháp tiếp cận đi từ dưới lên trên. Đối với máy tính hiện đại, để lưu trữ một bit dữ liệu cần đến gần 1 triệu nguyên tử. Nhưng đến hiện tại, IBM đã tìm cách xây dựng đơn vị lưu trữ dữ liệu từ tính nhỏ nhất bao gồm chỉ 12 nguyên tử và nhóm nghiên cứu cho rằng nếu một bộ nhớ nguyên tử có thể được hiện thực hóa, những chiếc điện thoại di động ngày nay có thể chứa tất cả các bộ phim từng được sản xuất trong lịch sử, đó là chưa kể sách ebook và nhạc.
Heinrich nói: "Nghiên cứu có nghĩa là đưa ra những câu hỏi để tìm kiếm các giải pháp kỹ thuật ngắn hạn cho vấn đề trên. Khi dữ liệu được tạo ra và tiêu thụ ngày một nhiều hơn thì đơn vị lưu trữ dữ liệu cần phải nhỏ hơn, xuống đến cấp độ nguyên tử. Chúng tôi đang áp dụng những kỹ thuật tương tự được sử dụng để phát triển các cấu trúc điện toán mới và những phương pháp thay thế để lưu trữ dữ liệu."
Đoạn phim đã được Sách kỷ lục Guinness thế giới xác nhận là đoạn phim nhỏ nhất và kỷ lục này có lẽ sẽ không bao giờ bị phá vỡ bởi khi thực hiện dưới cấp độ nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử sẽ bị chi phối và không thể tạo ra hình ảnh thấy được như video mà các bạn sắp xem dưới đây.
