Mở một cuốn sách giáo khoa vật lý hoặc hóa học hiện đại, người đọc rất dễ rơi vào trạng thái hoang mang trước hai hình ảnh đối lập hoàn toàn. Một bên là mô hình cơ học lượng tử quen thuộc miêu tả hạt nhân được bao bọc bởi một đám mây electron mờ ảo, không hề có đường ranh giới sắc nét.
Nhưng lật sang trang bên cạnh, một bức ảnh chụp từ kính hiển vi quét chui hầm lại phô bày những dãy hạt tròn trĩnh, đều tăm tắp chẳng khác nào một khay bi sắt bóng bẩy. Cả hai cách biểu đạt này đều xuất phát từ các nhà khoa học hàng đầu thế giới, và sự thật đằng sau những khối cầu nhẵn nhụi đó lại là một câu chuyện đo đạc đầy tinh tế của khoa học hiện đại.
Trước hết, cần phải khẳng định rằng mắt người hay bất kỳ ống kính máy ảnh quang học nào cũng không bao giờ có thể ghi lại hình ảnh trực tiếp của một nguyên tử. Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) chỉ rõ rằng bước sóng ánh sáng khả kiến mà mắt người tiếp nhận dao động từ 380 đến 700 nanômét.
Trong khi đó, theo bách khoa toàn thư Britannica, bán kính của một nguyên tử chỉ khiêm tốn ở mức 0,1 đến 0,2 nanômét. Bước sóng ánh sáng lớn gấp cả nghìn lần kích thước nguyên tử, tựa như một đợt sóng biển khổng lồ tràn qua một hòn sỏi nhỏ mà không hề để lại bất kỳ hình ảnh phản xạ nào.
Thông cáo giải Nobel năm 1986 từng chỉ ra giới hạn của kính hiển vi quang học dừng lại ở mức 400 nanômét, tương đương kích thước của một loại virus lớn.
Để vượt qua bức tường vật lý này, hai nhà khoa học Gerd Binnig và Heinrich Rohrer tại phòng thí nghiệm IBM ở Zurich đã tạo ra kính hiển vi quét chui hầm (STM), công trình mang về cho họ giải Nobel Vật lý năm 1986. Cỗ máy này hoàn toàn không sử dụng ánh sáng hay thấu kính, mà vận hành giống như cách người khiếm thị đọc chữ nổi Braille.
Một đầu kim kim loại siêu sắc nhọn có phần đỉnh chỉ vỏn vẹn một nguyên tử duy nhất được đưa lại gần bề mặt vật liệu ở khoảng cách chừng một nanômét. Ở khoảng cách chỉ bằng hai đường kính nguyên tử này, các electron bắt đầu rò rỉ qua khoảng trống thông qua hiệu ứng chui hầm lượng tử.
Tuy nhiên, hình ảnh thu được từ STM không phải là ảnh chụp nguyên tử. Hai nhà nghiên cứu Jerry Tersoff và Donald Hamann đã chứng minh vào năm 1985 rằng dòng điện này phản ánh mật độ trạng thái electron cục bộ tại vị trí đầu kim quét qua.
Nói cách khác, thiết bị chỉ ghi lại biểu đồ độ cao tương ứng với vị trí các electron sẵn sàng nhảy qua đầu dò, sau đó được tô màu nhân tạo để tạo ra hình ảnh trực quan.
Vậy tại sao những điểm dữ liệu này lại luôn hiện lên dưới dạng những quả cầu tròn trịa?
Lý do đầu tiên xuất phát từ chính cấu trúc tự nhiên của nguyên tử. Nhà vật lý Albrecht Unsöld vào năm 1927 đã chứng minh một định lý then chốt: bất kỳ nguyên tử nào có các phân lớp orbital đóng kín hoặc lấp đầy một nửa đều sở hữu sự phân bố điện tích đối xứng hình cầu hoàn hảo. Khi các orbital p hình quả tạ nằm dọc theo ba trục tọa độ cùng được lấp đầy electron, chúng triệt tiêu lẫn nhau về phương hướng ưu tiên và tạo nên một khối cầu đối xứng tự nhiên, điển hình như ở các khí hiếm neon hay argon.
Lý do thứ hai thuộc về hiệu ứng chập đầu dò (tip convolution). Đầu dò của kính hiển vi cơ học không phải là một điểm hình học vô hình mà là một khối vật chất có kích thước hữu hạn và sở hữu đám mây electron riêng. Theo công thức tính toán của Tersoff và Hamann, bất kỳ cấu trúc gồ ghề nào trên bề mặt khi tiếp xúc với đầu dò cũng đều bị làm nhòe và bo tròn.
Nghiên cứu công bố năm 2020 trên tạp chí Scientific Reports cũng khẳng định độ phân giải của kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) luôn bị chi phối bởi diện tích tiếp xúc của đầu dò. Đỉnh cao nhất của nguyên tử luôn là nơi dòng điện truyền qua mạnh nhất, khiến thiết bị chỉ bắt trọn phần chỏm cầu trên cùng và biến mỗi vị trí thành một đốm tròn nhẵn nhụi.
Yếu tố thứ ba củng cố hình thái quả cầu chính là sự dao động nhiệt liên tục. Các nguyên tử trong chất rắn không bao giờ đứng yên để tạo dáng chụp chân dung, mà chúng luôn rung lắc quanh vị trí cân bằng. Hình ảnh ghi lại sau thời gian quét thực chất là vị trí trung bình của nguyên tử.
Năm 2021, nhóm nghiên cứu tại Đại học Cornell do David Muller dẫn đầu đã ứng dụng kỹ thuật ptychography điện tử trên tinh thể praseodymium orthoscandate và công bố trên tạp chí Science rằng, ngay cả khi độ mờ của thiết bị được hạ xuống dưới 20 picômét, vệt mờ tròn trịa còn lại duy nhất chính là sự rung lắc nhiệt và thăng giáng lượng tử của chính nguyên tử.
Khi công nghệ đo lường được nâng cấp, chiếc mặt nạ hình quả cầu lập tức biến mất. Năm 1987, nhà khoa học Randall Feenstra tại IBM đã chứng minh trên tinh thể gallium arsenide rằng chỉ cần đảo chiều điện áp phân cực, một nửa số đốm tròn sẽ biến mất hoàn toàn vì mức năng lượng sẵn có của electron đã thay đổi.
Đỉnh cao hơn, vào năm 2009, nhóm nghiên cứu của Leo Gross tại IBM Zurich đã gắn một phân tử carbon monoxide (CO) vào đầu kim của kính hiển vi AFM để quét qua phân tử pentacene. Nhờ lực đẩy Pauli giữa các đám mây electron, hình ảnh thu được lần đầu tiên đã hé lộ cấu trúc năm chiếc vòng phẳng cùng các đường nối liên kết hóa học rõ nét như hình vẽ sách giáo khoa, xua tan hoàn toàn ảo ảnh về những viên bi tròn đơn điệu.
Những bức ảnh hiển thị nguyên tử như những quả bi sắt thực chất là kết quả đo lường trung thực từ một chiếc bút vẽ cơ học có kích thước hữu hạn. Đám mây mờ lượng tử là bản chất lý thuyết, còn khối cầu tròn là hình ảnh thực nghiệm thu được khi khoa học chạm tới ranh giới của chuyển động nhiệt và cơ học phân tử.
Đức Khương
