Khi phát minh tầm cỡ bị quên lãng vì... bom nguyên tử

Những sự trùng hợp tình cờ

Điều đáng kinh ngạc nhất là transistron của Mataré và Welker có thiết kế giống gần y chang thậm chí gần như sinh đôi với transistor của Bardeen và Brattain. Cũng cần nói thêm là trước đó cả Mataré và Welker đã tham gia các nghiên cứu và phát triển rada của quân đội Đức quốc xã trong thời kỳ. Sau chiến tranh, họ được những người thắng cuộc điều tra, thẩm vấn và cuối cùng được nhận về làm việc tại một cơ sở nghiên cứu ở ngoại ô thủ đô Paris của nước Pháp.

Phát minh poin-contact transistor đầu tiên của Bardeen và Brattain, tháng 12.1947. Nguồn ảnh tư liệu

Những thông tin về transistron lúc bấy giờ làm cho các nhà nghiên cứu và lãnh đạo của Bell Labs hết sức lo lắng không chỉ về các vấn đề kỹ thuật và công nghệ mà cả các vấn đề pháp lý có thể xảy ra. Chính vì lý do đó mà Bell Labs đã yêu cầu một nhân viên của họ là Alan Holden đang đi nghỉ ở Anh vào tháng 5.1949 ghé qua Paris để tham quan phát minh transistron của Mataré và Welker. Trong bức thư gửi Shockley đề ngày 14.5.1949, Holden đã tỏ ý hoài nghi việc các nhà khoa học ở Paris đã tự sáng chế ra transistron. Ông viết “… thật khó mà tin được rằng công việc nghiên cứu transistron của người Pháp là hoàn toàn độc lập…”.

Chỉ mấy ngày sau, Bộ trưởng Bưu điện bưu chính và viễn thông của Pháp đã chính thức thông báo trên các phương tiện truyền thông đại chúng và ca ngợi phát minh của hai nhà khoa học “một thành tựu xuất sắc của các nhà khoa học Pháp… Chỉ 4 năm sau WWII, một sáng chế tuyệt vời đã được phát minh từ nơi vẫn còn dấu tích tàn phá của chiến tranh …”

Trong bức thư sau chuyến đến tham quan nói trên, Holden viết “… Họ chỉ có những nhóm nghiên cứu nhỏ, làm việc trong những cơ sở tồi tàn như tổ chuột ở các nông trại, xưởng sản xuất format, trong nhà tù ở ngoại ô Paris. Họ toàn là những người trẻ tuổi và rất hăng hái…”[2]

Cũng tương tự như ở Mỹ, trong thời gian WWII các chất bán dẫn được ưu tiên nghiên cứu và phát triển ở Đức cho các ứng dụng trong rada và quốc phòng, mặc dù các nghiên cứu này khá muộn so với Mỹ và các nước phe Đồng minh. Cả Mataré và Welker đã đóng các vai trò quan trọng trong chương trình phát triển rada của nước Đức quốc xã. Tuy nhiên họ chưa gặp nhau cũng như chưa từng cùng làm việc với nhau trong thời kỳ chiến tranh.

Mataré tốt nghiệp chương trình sau đại học (tương đương với thạc sỹ ở Mỹ) bắt đầu tham gia chương trình phát triển rada của quân đội Đức ở Berlin từ năm 1939 khi quân đội của Hitler đang tấn công Ba Lan. Dựa trên các kết quả nghiên cứu của mình trong thời gian này ông đã bảo vệ và nhận bằng tiến sỹ ở đại học Technical University of Berlin (TU Berlin) năm 1942.

Vào lúc bấy giờ các hệ thống rada của Đức không thể nào bắt được các tín hiệu có bước sóng ngắn dùng để phát hiện máy bay và các mục tiêu nhỏ. Lý do là các bộ chỉnh lưu rada của Đức vẫn còn sử dụng các bóng đèn điện tử chân không và các hệ thống này không hoạt động được ở các tần số cao (tương đương với bước sóng ngắn). Mataré đã tiến hành các thí nghiệm của riêng mình với các chất bán dẫn để áp dụng cho các hệ chỉnh lưu của rada.

Từ trái sang: William Shockley, Walter Brattain và John Bardeen, ba nhà khoa hoc phát minh ra transistor đầu tiên, cùng nhận giải Nobel Vật Lý năm 1956. Nguồn: Getty Images

Một điều thú vị là ngay từ lúc còn nhỏ Mataré đã có ham thích nghiên cứu radio và vào những năm 1920 đã tự chế cho gia đình của mình (vốn di cư từ Bỉ sang Đức) một chiếc radio nhỏ để có thể nghe các chương trình âm nhạc trên đài phát thanh lúc bấy giờ. Trong chiếc đài tự chế của mình, cậu bé Mataré đã sử dụng một mẩu bán dẫn silicon nhỏ xíu. Mặc dù vào thời kỳ đó không một ai hiểu gì về các chất bán dẫn nhưng chúng vẫn được sử dụng trong một số thiết bị. Sau này, khi Mataré bắt đầu nghiên cứu phát triển rada cho quân đội Đức quốc xã, các lý thuyết lượng tử về chất rắn, đặc biệt của nhà Vật lý người Đức Walther Schottky làm việc cho hãng Siemens ở Munich đã giúp cho các nhà khoa học hiểu khá rõ về chất bán dẫn và ứng dụng của chúng trong các hệ thống chỉnh lưu của rada.

Khi các trận chiến bắt đầu xảy ra một cách ác liệt, giới công nghiệp quốc phòng đề nghị các nhà lãnh đạo quân đội Đức cho tập trung nghiên cứu các hệ thống rada có bước sóng ngắn để phát hiện máy bay phe Đồng Minh và các mục tiêu có kích thước nhỏ khác. Họ lập luận rằng các hệ thống rada đó có thể được gắn vào các máy bay giúp hoạt động và chiến đấu trong các điều kiện thời tiết xấu. Tuy nhiên, các đề nghị này đã bị các tướng lĩnh Đức tự mãn bỏ ngoài tai sau các chiến thắng áp đảo của quân đội Đức quốc xã trong thời kỳ đầu của cuộc chiến tranh.

Thống chế không quân Hermann Göring vốn là một phi công chiến đấu thời WWI cho rằng bản chất siêu việt của chủng tộc Aryan là yếu tố quyết định cho các chiến thắng của các phi công Đức trên mặt trận chứ không phải là do nhờ các thiết bị điện tử mù mờ khó hiểu. Göring từng tuyên bố “các phi công của tôi không cần đến máy chiếu phim trên máy bay”. Tuy nhiên, đến tháng 2 năm 1943 khi một chiếc máy bay ném bom Sterling của Anh bị bắn rơi và người Đức sau khi kiểm tra xác chiếc máy bay nhanh chóng phát hiện ra rằng công nghệ rada của họ quá lạc hậu so với phe Đồng minh.

Göring yêu cầu phân tích kỹ hệ thống rada của người Anh và cho triệu tập hơn một ngàn các nhà khoa học, kỹ sư và kỹ thuật viên từ mặt trận quay trở về tập trung phát triển hệ thống rada mới. Đến mùa hè 1943 mô hình hệ thống rada mới của quân đội Đức quốc xã được xây dựng hoàn thành, nhưng đã quá muộn để có thể đưa vào sản xuất và sử dụng. Vào lúc này, không quân của Đồng minh với các hệ thống rada gắn trên máy bay có thể tấn công khá chính xác các mục tiêu trên mặt đất, gây tổn thất lớn cho quân Đức, đồng thời khiến các cơ quan nghiên cứu của Đức phải di chuyển liên tục để tránh bom, ảnh hưởng nặng nề đến các kết quả nghiên cứu.

Một máy bay ném bom của Đức trong Thế chiến II. Nguồn: Wikipedia

Vào tháng Giêng năm 1944, cơ sở nghiên cứu của Mataré phải di chuyển qua Wroclaw (Ba lan) để tránh bom. Chính trong thời gian này ông đã phát hiện ra một hiện tượng kỳ lạ khi đặt hai mẩu kim loại cách nhau khoảng 100 micron trên bề mặt của chất bán dẫn germanium. Mataré có cảm giác dường như ông có thể khuếch đại được dòng điện bằng mẩu bán dẫn germanium nhưng cuối cùng vẫn không thể nào đạt được.

Vào tháng 1.1945, mặt trận phía Tây của quân đội Đức bị phá vỡ, nhóm nghiên cứu của Mataré phải chuyển về Đức và toàn bộ các tài liệu nghiên cứu bị đốt để khỏi rơi vào tay quân Liên Xô. Tại Đức, nhóm nghiên cứu của Mataré vừa mới bắt tay vào làm việc thì đã bị quân đội Mỹ chiếm thành phố của họ và cho giải tán nhóm nghiên cứu. Mataré được cho trở về nhà sinh sống cùng gia đình ở Kassel, Đức.

Điều thú vị là phát hiện của Mataré vào năm 1944 nói trên rất gần với thiết kế point-contact (tiếm xúc điểm) transistor mà Bardeen và Brattain phát minh vào tháng 12.1947 sau đó. Cũng tương tự như các nhà nghiên cứu của Bell Labs vào những năm 1945-1947, Mataré vào năm 1944 cũng không thể nào hiểu nổi các kết quả thí nghiệm của mình và chật vật mãi vẫn không khuyếch đại được dòng điện.

Như chúng ta đã biết trong bài Transistor - phát minh có ảnh hưởng lớn nhất tới cuộc cách mạng tin học, từ tháng 5.1945 đến tháng 12.1947, sau hơn hai năm nghiên cứu các thí nghiệm tương tự Bardeen và Brattain cũng không thu được kết quả khuếch đại dòng điện. Mãi cho đến tháng 12.1945 sau khi Bardden tìm ra hiệu ứng trạng thái bề mặt và kết luận đây chính là nguyên nhân cản trở sự khuyếch đại thì họ mới thành công về mặt thực nghiệm và transistor đầu tiên mới được phát minh.

Ảnh Mataré (chụp 1946) và Welker (1970). Ở giữa là ảnh chiếc transsitron. Nguồn: IEEE Spectrum

Một sự trùng hợp tình cờ khác cũng vô cùng thú vị. Giống như trường hợp transistor đầu tiên được phát minh bởi hai nhà vật lý của Bell Labs, một thực nghiệm và một lý thuyết, phát minh ra transistor đầu tiên của châu Âu cũng do hợp tác giữa một nhà vật lý thực nghiệm và một nhà vật lý lý thuyết.

Mataré như đã kể trên đây là nhà thực nghiệm, còn nhà lý thuyết kia là Welker, người trong thời gian chiến tranh làm việc trong một phòng thí nghiệm ở Munich. Con đường nghiên cứu khoa học của Welker cũng có nhiều điểm trùng hợp với Bardeen một cách kỳ lạ. Cũng như Bardeen, Welker đã từng nghiên cứu lý thuyết lượng tử chất rắn trong những năm 1930 và sau đó sử dụng kiến thức này để giúp phát minh ra transistor. Ngay trước khi kết thúc chiến tranh, Welker bắt đầu nghiên cứu lý thuyết về hiện tượng khuyếch đại điện tử bằng các chát bán dẫn silicon và germanium.

Vào đầu năm 1945, Welker đã phác họa ra ý tưởng về hệ thống khuyếch đại dòng điện dựa trên một hiệu ứng giống hệt như ‘hiệu ứng trường’ (field effect) mà Shockley đề xuất vài tháng sau đó. Tuy nhiên, vào tháng 3.1945 các thí nghiệm của Welker và đồng nghiệp đều thất bại, không thu được sự khuếch đại nào cả. Gần như cùng một lúc, vào tháng 5 năm 1945 các thí nghiệm của Shockley và Bratain dựa trên cùng một ý tưởng cũng thất bại tương tự. Sau các thất bại thực nghiệm nói trên cũng như do việc chiến tranh kết thúc, Welker quay sang nghiên cứu lý thuyết về hiện tượng siêu dẫn – lại một sự trùng hợp thú vị nữa vì như đã nói ở bài Transistor - phát minh có ảnh hưởng lớn nhất tới cuộc cách mạng tin học, Bardeen sau này cũng nghiên cứu về lý thuyết siêu dẫn và đã được trao giải thưởng Nobel năm 1972 về lý thuyết mang tên ông va hai đồng nghiệp khác (BCS Theory).

Năm 1946, Welker bị thẩm vấn bởi các cơ quan tình báo của Anh và Pháp về các hoạt động của ông trong chương trình nghiên cứu rada của quân đội Đức quốc xã. Sau đó ông được đề nghị về làm việc cho một cơ sở nghiên cứu và phát triển (R & D) ở ngoại ô Paris với mục tiêu là phát triển các bộ phận chỉnh lưu bán dẫn germanium cho các hệ thống viễn thông điện tử và các thiết bị quốc phòng.

Cũng trong năm này, Mataré đang dạy học ở Đức cũng bị thẩm vấn và sau đó cũng nhận được một đề nghị về làm việc cùng cơ sở nghiên cứu mà Welker mới nhận việc. Vốn thành thạo tiếng Pháp (gia đình ông có gốc từ Bỉ) Mataré nhanh chóng chấp nhận công việc mới. Hai nhà vật lý trẻ người Đức ở độ tuổi 30 nhanh chóng thành lập nhóm nghiên cứu trong một ngôi nhà bỏ hoang ở ngoại ô Paris năm 1946.

Welker thiết lập một xưởng tinh chế tinh thể germanium dưới tầng hầm, Mataré tiến hành thực nghiệm và đo đạc trên tầng một của ngôi nhà. Chỉ đến cuối năm 1946 nơi đây đã sản xuất và cho ra lò hàng ngàn bộ chỉnh lưu hàng tháng. Tầng trên cùng của ngôi nhà được dùng làm văn phòng và chỗ ở. Mataré nhớ lại thỉnh thoảng tỉnh giấc vì tiếng đàn violin của Welker vang lên từ phòng bên cạnh.

Transistorphải ‘nhường chỗ’ cho... bom nguyên tử

Đến cuối năm 1947 khi sản phẩm các bộ chỉnh lưu đã đi vào sản xuất ổn định, Welker quay trở lại đề tài nghiên cứu mà ông yêu thích là hiện tượng siêu dẫn, trong khi Mataré lại tiến hành các thí nghiệm dở dang của mình về bộ khuyếch đại điện tử dùng chất bán dẫn germanium mà ông đã bắt đầu từ năm 1944.

Vào đầu năm 1948, Mataré lặp lại được các kết quả kỳ lạ trước đây của mình. Tuy vậy, cũng như lần trước ông không thể nào khuyếch đại được dòng điện khi cho hai thanh kim loại cách nhau khoảng 100 micron trên bề mặt của chất bán dẫn germanium. Bế tắc, Mataré trao đổi với Welker để tìm ra một giải đáp. Với sự giúp đỡ của Welker – lúc này đã là một chuyên gia hàng đầu về tinh chế và phát triển tinh thể germanium, họ đã tiến hành các thí nghiệm với các tinh thể germanium cực kỳ tinh chất cũng như một vài thay đổi trong thiết kế.

Cuối cùng vào tháng 6.1948, Mataré cũng đã đo được khuyếch đại dòng điện từ hệ thống của mình. Vô cùng vui sướng, Mataré và Welker gọi điện đến thông báo cho ông Eugène Thomas, Bộ trưởng bộ Bưu điện bưu chính và viễn thông của Pháp, Bộ chủ quản các phòng ngiên cứu của họ. Nhưng ông Bộ trưởng Thomas dường như quá bận rộn hoặc không quan tâm đúng mức nên đã bỏ quên. Cũng nên nhắc lại rằng, 6 tháng trước đó Bardeen và Brattain đã phát hiện được hiên tượng giống như vậy, nhưng mãi đến ngày 30.6.1948, Bell Labs mới chính thức công bố phát minh ra transistor và ngay ngày hôm sau được tờ New York Times đưa tin trên trang nhất, ca ngợi đó là một phát minh có tính đột phá.

Hệ thống điện thoại trên tàu thủy của Pháp. Nguồn ảnh tư liệu

Sau thông báo của Bell Labs, ông Bộ trưởng Thomas lập tức đến chứng kiến tận mắt phát minh của Mataré và Welker tại phòng thí nghiệm của họ. Ông Bộ trưởng giục hai nhà phát minh sớm đăng ký bằng bản quyền phát minh của Pháp và khuyên đặt tên transistron nghe gần giống tên transistor của Bell Labs.

Hai nhà phát minh vội vàng viết đơn đăng ký phát minh và nộp vào ngày 13.8 năm đó. Vào cuộc họp báo tháng 5.1949 Mataré và Welker đã cho trình bày các sản phẩm transistron của họ lúc bấy giờ đã bắt đầu được sử dụng để khuyếch đại tín hiệu trong hệ thống liên lạc điện thoại của Pháp. Báo chí Pháp ca ngợi hai nhà phát minh “The farther of transistron” không tiếc lời. Quả thực, so với point-contact transistor của Bell Labs thì transistron của Pháp lúc bấy giờ tỏ ra ưu việt hơn hẳn về mức độ ổn định và tuổi thọ.

Một năm sau, năm 1950, khi Brattain và Shokley đến tham quan phòng thí nghiệm ở Paris, Mataré đã cho họ xem hệ thống điện thoại gọi đi Algieri được khuyếch đại bằng transistron. Shockley không dấu được sự khâm phục, ông nói “cái này đáng nể đấy”. Điều đó cũng dễ hiểu thôi. Như đã nói ở bài Transistor - phát minh có ảnh hưởng lớn nhất tới cuộc cách mạng tin học, transistor do Bardeen và Brattain phát minh ra đầu tiên (12.1947) rất khó chế tạo, hơn nữa hoạt động không ổn định. Chính vì vậy mà sản phẩm transistor của Bell Labs thời kỳ đầu chủ yếu dựa vào junction transistor do Shockley phát minh đầu năm 1948 về mặt lý thuyết nhưng mãi đến cuối năm 1950 mới thành công về mặt thực nghiệm và được công bố chính thức vào tháng 5.1951. Vào thời điểm Shockley thăm Paris nói trên (5.1950) transistron của Mataré và Welker quả thực tốt hơn hẳn so với transistor do Bardeen và Brattain phát minh trước đó.

Như vậy là mặc dù transistron của Pháp được phát minh ra muộn hơn point-contact (tiếp xúc điểm) transistor của Bell Labs khoảng nửa năm, nhưng bước khởi đầu ứng dụng của transistron có vẻ thành công hơn. Như đã nói ở trên, vào năm 1950 transistron đã bắt đầu được sử dụng trong hệ thống điện thoại viễn thông của Pháp sang tận Angieri thì mãi sau 1951 junction (tiếp nối) transistor do Shockley phát minh mới thực sự được sản xuất và đưa vào sử dụng vài năm sau đó. Tuy nhiên, phát minh transistron nhanh chóng bị giới lãnh đạo khoa học và công nghệ Pháp quên lãng.

Vụ thử hạt nhân đầu tiên của Pháp, có tên mã là Gerboise Bleue (hay Blue Gerboise - Gerboise xanh lam) diễn ra lúc 7 giờ 04 sáng ngày 13.2.1960. Được kích nổ trên đỉnh một tháp cao, quả bom có đương lượng 60-70 kiloton, mạnh gấp 4 lần quả bom Little Boy ném xuống Hiroshima. Nguồn ảnh tư liệu

Theo nhà viết sử về khoa học và công nghệ Micheal Riordan của Đại học Stanford thì lí do là vào những năm 1950 giới lãnh đạo khoa học của chính quyền cũng như công luận của nước Pháp dường như bị cuốn hút “như bị mê hoặc” vào năng lượng hạt nhân. Sau khi Mỹ thả hai quả bom nguyên tử xuống hai thành phố Hiroshima và Nagasaki của Nhật Bản vào cuối WWII, thì nước Pháp cũng dốc toàn lực vào phát triển bom nguyên tử và năng lượng hạt nhân.

Vào những năm 1950 nước Pháp là nước duy nhất của phe Đồng minh thắng trận trong WWII chưa có bom nguyên tử và vì vậy vật lý hạt nhân là lĩnh vực được ưu tiên hàng đầu của chính quyền cũng như được công chúng hết sức ủng hộ. Chính vì vậy, sau những giây phút hân hoan chào đón ban đầu của chính quyền và truyền thông Pháp, chẳng bao lâu sau không mấy ai quan tâm đến transistron nữa. Cần lưu ý là ứng dụng của transistron lúc bấy giờ chỉ tập trung cho hệ thống liên lạc viễn thông điện thoại của Pháp do nhà nước quản lý, vì vậy vai trò của chính quyền Pháp đặc biệt quan trọng, khác hoàn toàn với tình hình ở Mỹ là do các công ty tư nhân như AT&T làm chủ và khai thác.

Chính vì vậy, hai năm sau phát minh ra transistron, sự tài trợ cho các nghiên cứu tiếp theo giảm một cách đáng kể. Mataré và Welker không thấy có cơ hội và khả năng phát triển ở Pháp nữa và lần lượt trở về làm việc ở Đức, quê hương của họ.

Một phát minh, hai số phận

Năm 1951 Welker nhận được một vị trí nghiên cứu của hãng Siemens ở Erlangen (Đức) và ông là một trong những người nghiên cứu tiên phong phát minh ra một loại bán dẫn mới (thường được gọi là III-V semiconductors) được sử dụng chế tạo laser, đóng vai trò quan trọng trong cuộc cách mạng khoa học và công nghệ, đặc biệt trong lĩnh vực quang điện tử (optoelectronics). Năm 1969, Welker được giao phụ tránh các chương trình nghiên cứu của Siemens. Ông về hưu năm 1977 và mất vào năm 1981.

Năm 1952, được sự tài trợ tài chính của Jakob Michael một doanh nhân giàu có người Đức, Mataré thành lập ra công ty Intermetall ở Düsseldorf (Đức), sản xuất các thiết bị chỉnh lưu và transistor germanium dựa vào phát minh của ông ở Pháp. Điều đáng ngạc nhiên là chiếc radio bán dẫn đầu tiên của thế giới được sản xuất bởi Intermetall năm 1953 chứ không phải là ai khác, sớm hơn một năm so với chiếc radio của Texas Instruments (TI) bán ở Mỹ năm 1954 với giá 49.95 USD như đã viết ở bài Transistor - phát minh có ảnh hưởng lớn nhất tới cuộc cách mạng tin học.

Ảnh một nhân viên của Intermetall đang trình bày chiếc radio bán dẫn đầu tiên trên thế giới năm 1953. Nguồn: IEEE Spectrum

Tuy nhiên, vào năm 1955 doanh nhân Jakob Michael bán Intermetall cho Clevite Corp - một công ty ở Cleveland (Ohio, Mỹ) và công ty này đã chuyển trọng tâm vào sản xuất, cho dừng hầu hết các nghiên cứu về bán dẫn. Cũng từ đây, lĩnh vực nghiên cứu và sản xuất transistor non trẻ của châu Âu mất dần sức sống.

Lúc bấy giờ Bell Labs đã bắt đầu sản xuất transistor kết nối do Shockley phát minh tốt hơn hẳn loại tiếp xýc điểm của Intermetall. Cuối cùng, sự ra đời của transistor silicon (10.1955) của TI ở Texas và chip bán dẫn của Fairchild Semiconductor ở California cuối năm 1958 cũng chính là lúc đặt dấu chấm hết cho sự phát triển công nghệ transistor của châu Âu do không thể cạnh tranh vì thiếu đầu tư cho nghiên cứu tương tự như ở Mỹ.

Quá thất vọng, Mataré rời bỏ nước Đức và di cư qua Mỹ làm việc trong ngành công nghiệp bán dẫn ứng dụng cho pin mặt trời và cũng đạt được nhiều thành công với nhiều công bố và phát minh quan trọng trong lĩnh vực này. Ông mất năm 2011.

Như vậy là, dù phát minh transistron muộn hơn transistor của Bell Labs khoảng 6 tháng, nhưng về mặt công bố chính thức thì chỉ muộn hơn một tháng do Bell Labs giữ kín để hoàn thành các thủ tục đăng ký phát minh. Về mặt thời gian mà nói thì sự khác biệt này gần như không đáng kể. Vậy tại sao trong khi Bell Labs và các công ty của Mỹ đã biến phát minh transistor thành một đột phá kỹ thuật mở đầu cho một cuộc cách mạng khoa học và công nghệ như đã trình bày trong các phần trước thì các công ty của Pháp và châu Âu đã để tuột mất cơ hội vàng đó? Theo các nhà nghiên cứu lịch sử về khoa học và công nghệ thì có vài nguyên nhân cơ bản như sau.

Thứ nhất, yếu tố đóng vai trò cực kỳ quan trọng và được coi là điều kiện cần là nhóm nghiên cứu của Bell Labs đã được đặt ra mục tiêu rõ ràng ngay từ đầu và được đầu tư tài trợ hiếm nơi có được. Như đã nói ở trên, giám đốc nghiên cứu của Bell Labs - ông Kelly - đã thành lập nhóm nghiên cứu bán dẫn từ năm 1936 với mục đính chế tạo bộ khuyếch đại thay thế cho các đèn điện tử ống chân không đang là vấn đề nhức nhối và là nhu cầu cấp thiết của AT&T. Mặc dù lý thuyết lượng tử chất rắn vừa mới ra đời và còn khá xa lạ với hầu hết tất cả mọi người lúc bấy giờ, kể cả với chính bản thân, ông Kelly đã tin tưởng và chọn một nhà lý thuyết trẻ để giao cho xây dựng nhóm nghiên cứu này.

Có thể nói, ban lãnh đạo của Bell Labs có tầm nhìn xa hiếm có, và điều đó là vô cùng quan trọng. Ngoài ra, do khả năng tài chính vững chắc, Bell Labs mới có thể theo đuổi một mục tiêu khá xa vời như vậy. Chính vì thế mà nhóm của Shockley dù sau bao nhiêu thất bại nhưng vẫn kiên trì theo đuổi nghiên cứu trong một thời gian dài từ 1936 cho đến 1950. Ngay cả nếu không tính thời gian thế chiến II (từ năm 1939 đến 1945), thì một sự đầu tư lâu dài như vậy có thể nói hầu như khó có thể xảy ra ở hầu hết các công ty tư nhân. Do vai trò hết sức đặc biệt trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ như vậy mà Bell Labs được ghi nhận là một cơ sở nghiên cứu huyền thoại trong lịch sử phát triển khoa học và công nghệ của thế giới.

Điều kiện thứ hai và cũng là điều kiện đủ cho sự thành công của transistor Bell Labs, đó là việc các nhà nghiên cứu của Bell Labs có được một sự hiểu biết lý thuyết và kiến thức về chất bán dẫn hơn hẳn các nhà khoa học ở Pháp lúc bấy giờ. Chính vì vậy, các nghiên cứu transistor của Bell Labs ngay từ đầu đã được định hướng khá rõ ràng bởi các tính toán và các mô hình lý thuyết của Shockley và Bardeen.

Trong khi đó, các thí nghiệm ban đầu của Mataré hầu như chỉ là mò mẫm, mãi về sau này mới có sự cộng tác về mặt lý thuyết với Welker. Mặc dù vậy, sự hiểu biết lí thuyết bán dẫn của Welker cũng có hạn vì ông đang theo đuổi nghiên cứu các vấn đề khác. Mataré kể lại rằng sau khi đo được sự khuyếch đại bằng chất bán dẫn germanium, Mataré và Welker tranh cãi nhau khá lâu về lí do và nguyên tắc hoạt động của hệ thống và cũng vì vậy đã làm chậm trễ việc công bố phát minh.

Mataré cho rằng Welker không hiểu các thực nghiệm của mình vì Welker chỉ tập trung vào lý thuyết siêu dẫn. Mãi đến khi đọc cách giải thích lý thuyết của Bardeen trong công bố phát minh transistor của Bell Labs thì Mataré mới thấy cách giải thích của Welker có lý. Ngay cả Welker cũng hiểu rõ hơn nguyên lý hoạt động nhờ đọc cách giải thích của Bardeen.

Đặc biệt hơn thế nữa, nhờ có sự hiểu biết vượt trội về lý thuyết mà Bell Labs nhanh chóng phát triển các loại transistor tiếp theo như transistor tiếp nối của Shockley có chất lượng tốt hơn hẳn, đặc biệt là transistor silicon, chip bán dẫn... Chính vì không có được các nghiên cứu tiếp theo như của Bell Labs mà transistron của Mataré và Welker cũng bị bỏ rơi nhanh chóng vì không thể cạnh tranh được với sự phát triển hết sức nhanh chóng ở Mỹ lúc bấy giờ.

Cuối cùng, hệ thống hạ tầng cơ sở cho nghiên cứu và phát triển (R&D) là một yếu tố hết sức quan trọng góp phần cho sự phát triển mạnh mẽ của ngành công ngiệp transistor và chip bán dẫn ở Mỹ mà các nước châu Âu lúc bấy giờ không có được. Châu Âu dù có một nền khoa học đồ sộ nhưng hệ thống hạ tầng cơ sở bị tàn phá rất nặng nề sau WWII. Chính nhờ có một cơ sở hạ tầng nghiên cứu tốt như vậy ở Mỹ, chỉ cần có một ý tưởng quan trọng tung ra ở một cơ sở nào đó (ở đây là transistor của Bell Labs) thì chỉ trong một thời gian ngắn nó đã được phát triển với mức độ cao hơn rất nhiều ở những cơ sở khác như transistor silicon và chip bán dẫn được phát triển bởi Texas Instruments và Fairchild Semiconductor, Intel vv ở California và nhiều nơi khác nữa.

Trong phần tiếp theo chúng tôi sẽ đi vào những phát triển công nghệ bán dẫn ở các nước khác, đặc biệt là ở Trung Quốc và bài học từ thất bại mới đây của công ty với vốn 20 tỷ USD của nước này.

Còn tiếp...

Nguyễn Trung Dân

New York, tháng 9.2022

___________

Tài liệu tham khảo: M. Riordan “How Europe missed the transistor”, www.spectrum.ieee.org November 2005.

[1] https://nguoidothi.net.vn/transistor-phat-minh-co-anh-huong-lon-nhat-toi-cuoc-cach-mang-tin-hoc-37168.html

[2] Nguyên văn: “They have little groups in all sorts of rat holes, farm houses, cheese factories, and jails in the Paris suburbs. They are all young and eager.”

Tác giả bài viết có trên 25 năm nghiên cứu về vật lý lý thuyết và ứng dụng các chất bán dẫn, trong đó có thời gian nghiên cứu ở Italy, Đức, Nhật và Mỹ (từ 1998). Là Associate Research Professor của Đại học Arizona cho đến 2017 chuyển sang làm nghiên cứu viên cao cấp tại trung tâm nghiên cứu của một công ty công nghệ cao, đa quốc gia tại New York, nghiên cứu về lĩnh vực Viễn Thông lượng tử và Mô phỏng lượng tử, đồng thời vẫn tiếp tục giữ cương vị giáo sư ngoài biên chế (Adjunct Professor) của Đại học Arizona. Là tác giả cuốn sách chuyên môn “Modeling and design photonics by examples using Matlabs” đang được sử dụng làm giáo trình trong một số Đại học ở Mỹ.