TS. Nguyễn Trương Thanh Hiếu: Khai phá điểm mới trên nền tảng cũ

“Low-energy electron inelastic mean free path in materials” trên Applied Physics Letters, công trình đem lại cho anh giải trẻ Tạ Quang Bửu 2020, là một sự ghi nhận cho nỗ lực này của anh.

TS. Nguyễn Trương Thanh Hiếu, Trường Đại học Tôn Đức Thắng

Thoạt nhìn bên ngoài, con đường đến với khoa học của TS. Nguyễn Trương Thanh Hiếu không có gì khác biệt so với nhiều nhà nghiên cứu khác: học ở nước ngoài về, công tác ở một trường đại học và cũng phải vận lộn với những khó khăn ở giai đoạn đầu sự nghiệp. Tuy nhiên, ẩn sâu trong đó là những suy nghĩ rất riêng của một người không xuất thân từ hoàn cảnh thuận lợi, “khi nhận được học bổng đại học ở Nga, tôi mừng quá bởi mình vừa được đi học ở nước ngoài lại vừa không để ba mẹ phải lo”, anh đề cập đến lý do vì sao lại “chọn” ĐH Tổng hợp Kỹ thuật Volgograd, Nga. Dù ban đầu chỉ xác định học 4, 5 năm đại học nhưng những “tuần tự nhi tiến” sau đại học dưới sự hướng dẫn của giáo sư Smolar Vladimir Alexeevitch đã đưa anh đến với khoa học, nơi anh tìm thấy niềm vui khám phá dựa trên nền tảng cơ bản vật lý hết sức vững vàng được tích lũy từ thời Xô viết. Đó là điểm xuất phát để TS. Nguyễn Trương Thanh Hiếu bắt đầu công việc nghiên cứu của mình tại Việt Nam với hai hướng chính là tán xạ điện tử trong vật chất và tính chất quang học và điện môi của vật liệu.

Tìm mảnh đất để có thể “tự do vẫy vùng”

Một điều dễ nhận thấy ở TS. Nguyễn Trương Thanh Hiếu là sự tự tin, tự tin vào sự lựa chọn của mình cũng như những vấn đề mình giải quyết. “Năm 2008, tôi gặp giáo sư Smolar Vladimir Alexeevitch và từ đó đi theo hướng của thầy là nghiên cứu về tán xạ điện tử (electron scattering) - một phần trong lý thuyết vận chuyển điện tử (electron transport theory), một chủ đề rất rộng và hiện nay vẫn đang thu hút được rất nhiều sự chú ý của các nhà khoa học trên thế giới”, anh cho biết. Điều anh cảm thấy hấp dẫn nhất ở tán xạ điện tử là còn tồn tại nhiều vấn đề chưa được giải quyết một cách trọn vẹn, nếu xét theo nghĩa chưa có lời giải tổng quát cho điện tử ở mức năng lượng bất kỳ. “Ví dụ như bài toán mặt cắt tán xạ đàn hồi (elastic scattering cross section) chỉ mới được giải quyết cho điện tử tương đối tính bằng lý thuyết Mott hay như bài toán quãng đường tự do trung bình không đàn hồi của điện tử (electron inelastic mean free path) cũng vậy, mới chỉ được giải quyết cho điện tử năng lượng cao bằng mô hình Penn”, anh điểm một số vấn đề lớn còn đang để ngỏ ở hướng nghiên cứu này. Do đó, đây chính là mảnh đất màu mỡ mà lứa “hậu sinh” như mình có thể tự do vẫy vùng.

Với các nhà nghiên cứu, có hai khía cạnh của tán xạ điện tử liên quan mật thiết với nhau là tốc độ tán xạ (scattering rate) và quãng đường tự do trung bình của điện tử, tuy nhiên ở Việt Nam, phần lớn các công trình mới khai thác nhiều ở khía cạnh đầu tiên. Theo quan sát của TS. Nguyễn Trương Thanh Hiếu, đã có công trình quan trọng về tốc độ tán xạ của Việt Nam xuất bản trên các tạp chí quốc tế nhưng chưa mấy đả động đến quãng đường tự do trung bình. “Cũng có nghiên cứu liên quan đến chủ đề này xuất bản trên tạp chí của Việt Nam nhưng tác giả là người nước ngoài, ví dụ như công trình ‘Anomalies in one-dimensional electron transport: quantum point contacts and wires’ đăng trên tạp chí Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology của Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam vào năm 2019 của Mukunda P Das và Frederick Green”, anh nhận xét.

Tôi đặc biệt ấn tượng với các giáo trình Vật lý của Nga, được viết rất tốt, qua đó có thể cung cấp cho người đọc một thế giới quan khá trọn vẹn về các quá trình Vật lý xảy ra trong tự nhiên. Tôi cho rằng, hiểu được bản chất của sự vật hiện tượng là tối quan trọng trong nghiên cứu khoa học.

TS. Nguyễn Trương Thanh Hiếu

TS. Nguyễn Trương Thanh Hiếu lựa chọn quãng đường tự do trung bình không đàn hồi của điện tử bởi “nó là một đại lượng quan trọng trong lý thuyết tán xạ điện tử cũng như trong các phương pháp phân tích bề mặt vật liệu bằng kỹ thuật phổ điện tử và chụp ảnh vật liệu ở cấp độ hiển vi điện tử”. Anh giải thích, việc áp dụng các phương pháp phổ điện tử tia X hoặc phổ điện tử Auger để nghiên cứu bề mặt của vật liệu đòi hỏi thông tin về quãng đường tự do trung bình không đàn hồi của điện tử năng lượng từ 50 đến 2000 eV và kết quả thực nghiệm phụ thuộc nhiều vào độ chính xác của đại lượng này. Do đó, việc nghiên cứu sâu về nó không chỉ ẩn chứa điều thú vị với chính mình mà còn đem lại nhiều kết quả hữu ích cho các nhà nghiên cứu về khoa học vật liệu, vật lý chất rắn, y sinh…

Trên con đường này, anh không gặp được nhiều bạn đồng hành ở Việt Nam. Tương tự một số đồng nghiệp ở nhiều lĩnh vực chuyên ngành hẹp khác của ngành vật lý, anh thường chỉ có thể chia sẻ ý tưởng với một số nhà nghiên cứu nước ngoài hoặc Việt Nam ở nước ngoài. Bên cạnh đó, việc mới ở giai đoạn đầu của nghiên cứu và sự hiếm hoi những người cùng lĩnh vực khiến anh chưa thể lập được nhóm nghiên cứu. Vậy điều này có ảnh hưởng đến kế hoạch nghiên cứu và công bố? “Tôi nghĩ tùy vào lĩnh vực, việc giải quyết một vấn đề nào đó không hẳn liên quan đến việc có nhóm hay không. Bản thân tôi cũng đang cố gắng xây dựng nhóm nghiên cứu, nhưng về cơ bản vẫn là làm việc một mình và khi đi sâu vào chuyên môn thì gần như không có ai để trao đổi”, anh nói.

Tuy nhiên không phải khó khăn nào cũng không thể giải quyết. Sự chịu khó của người miền Trung khiến anh đã tìm ra cách: “Nhiều khi lâm vào thế bí mà không biết hỏi ai, tôi tìm đọc tài liệu và dành nhiều thời gian cho việc này. May mắn là hiện nay việc tiếp cận các nguồn tài liệu không còn quá khó khăn như trước. Truy cập mở ngày càng được ủng hộ, chính sách của một số tạp chí cũng bắt đầu trở nên thân thiện hơn, ví dụ như cho truy cập miễn phí trong tháng đầu tiên nhà nghiên cứu có công bố”.

Do đó, dù có vẻ lạc nhịp so với hiện tại nhưng việc chỉ làm việc một mình trong thời gian dài chỉ để theo đuổi một bài toán nào đó đôi khi cũng hợp lý, thậm chí có ích, nhất là với người làm nghiên cứu lý thuyết, thiên về mô hình tính toán mô phỏng như anh.

Giải bài toán ở vùng năng lượng thấp

Chủ đề quãng đường tự do trung bình không đàn hồi của điện tử được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới tìm hiểu và tìm cách giải quyết nhưng “các kỹ thuật thực nghiệm và mô hình lý thuyết để xác định đại lượng này đối với điện tử năng lượng thấp (thường dưới 100 eV) có độ bất định lớn và không đáng tin cậy”, TS. Nguyễn Trương Thanh Hiếu nói. Lời giải của bài toán này chắc chắn được những người thường áp dụng kỹ thuật nhiễu xạ điện tử năng lượng thấp hoặc có nghiên cứu liên quan đến vận chuyển điện tử năng lượng thấp trong nước lỏng và tế bào sinh học chờ đón.

Cái khó nhất của bài toán là nó chưa rõ ràng cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm, ngay cả các phương pháp áp dụng cũng chưa đủ độ tin cậy. “Về thực nghiệm, đại lượng này thường được xác định bằng phương pháp phổ điện tử đỉnh đàn hồi (electron elastic peak spectroscopy) nhưng đây là phương pháp không đáng tin cậy ở vùng năng lượng thấp, một phần vì mặt cắt tán xạ đàn hồi cho điện tử năng lượng thấp có độ bất định lớn. Về lý thuyết, các mô hình trước đây dành cho điện tử năng lượng cao nên chỉ tính đến tương tác electron-electron, còn ở vùng năng lượng thấp cần phải tính đến các tương tác như electron-plasmon và electron-phonon”, anh giải thích. Trong khi đó, có một thực tế là những kỹ thuật thực nghiệm mới nhất cho kết quả khác xa so với dự đoán lý thuyết.

Do vậy, anh đã đề xuất một phương pháp tổng quát để xác định quãng đường tự do trung bình không đàn hồi của điện tử năng lượng thấp (dưới 100 eV) với mục tiêu phương pháp này có thể áp dụng trong các vật liệu khác nhau. Cơ sở của phương pháp này là anh coi “quãng đường tự do trung bình không đàn hồi của điện tử được định nghĩa dựa trên hàm mất năng lượng trong hệ hình thức điện môi và bài toán được quy về xác định hàm mất năng lượng”. Khi xét đến một số mô hình lý thuyết cho phép dự đoán hàm mất năng lượng dựa trên dữ liệu quang học thực nghiệm như mô hình Penn, mô hình Ritchie-Howie, anh cho rằng nguyên nhân khiến kết quả không chính xác ở vùng năng lượng thấp là “nằm ở phương pháp tính toán hàm mất năng lượng, tuy bản thân hệ hình thức điện môi vẫn đúng về mặt lý thuyết”. Với cách suy luận như thế, anh vẫn xác định quãng đường tự do trung bình không đàn hồi của điện tử trong hệ hình thức điện môi nhưng áp dụng cách tính hàm mất năng lượng bằng “lý thuyết phiếm hàm mật độ phụ thuộc thời gian - lý thuyết giúp Walter Kohn đoạt giải Nobel Hóa học năm 1998 và là phương pháp được sử dụng rộng rãi trong tính toán phổ điện tử và hàm điện môi”.

Để thử nghiệm độ chính xác của phương pháp đề xuất, anh đã áp dụng phương pháp tổng quát cho đồng, một loại kim loại phổ biến và được nghiên cứu rộng rãi cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm, do đó có nhiều dữ liệu để kiểm tra đối chứng. Không vội hài lòng với kết quả bước đầu, anh tiếp tục áp dụng nó trên 9 loại kim loại khác và so sánh với dữ liệu thực nghiệm của các nhà nghiên cứu đi trước để chứng minh phương pháp của mình thực sự có độ chính xác cao và mang tính tổng quát với nhiều loại vật liệu. “Kết quả tính toán và so sánh với dữ liệu thực nghiệm cho thấy giả thiết của tôi là đúng, đồng thời khẳng định vai trò then chốt của hàm mất năng lượng trong việc xác định quãng đường tự do trung bình không đàn hồi của điện tử năng lượng thấp”, TS. Nguyễn Trương Thanh Hiếu đề cập đến yếu tố khiến công trình của mình dễ được chấp nhận trên tạp chí Q1 của Viện Vật lý Mỹ. Đây cũng là lý do để sau 4 năm, bài báo của anh đã được nhiều công trình xuất bản trên các tạp chí uy tín như Nature Communication, Physical Review B, Carbon, The Journal of Physical Chemistry C, Physical Review E, Nanotechnology, Ultramicroscopy và mới đây nhất là Nature trích dẫn.

Mới trải qua 10 năm đầu sự nghiệp, TS. Nguyễn Trương Hải Hiếu cho rằng mình mới chỉ chạm đến một phần rất nhỏ của tán xạ điện tử. Việc giải quyết những bài toán lớn hơn hoặc thách thức hơn cần tập trung nhiều công sức và cả niềm tin của nhà nghiên cứu. Điều đó thì có vẻ như đã sẵn sàng ở anh, người luôn nghĩ việc theo đuổi đến cùng vấn đề mình định giải quyết không chỉ nằm ở việc giải quyết vấn đề một cách tường minh và tin cậy mà còn ở chỗ “phải chiến đấu đến cùng với cả các nhà phản biện để bảo vệ công trình của mình”. Đó là kinh nghiệm anh mới nếm trải năm 2018, khi gửi công trình “Low-energy electron inelastic mean free paths for liquid water” tới Journal of Physics: Condensed Matter. “Thoạt đầu, tạp chí từ chối sau khi đưa ra nhận xét chung chung và mơ hồ của phản biện. Tôi đã viết thư phản đối ‘bình luận thiếu thiện chí và thiếu minh bạch vì không chỉ được ra ít nhất là một ví dụ để chứng minh bình luận này’. Trên tinh thần khoa học, tạp chí đã quyết định cho tôi gửi lại bản thảo đã chỉnh sửa và quyết định đăng sau một quy trình bình duyệt khác”.

Với những điều tích lũy được, TS. Nguyễn Trương Thanh Hiếu cho rằng mục tiêu trước mắt của mình sẽ là “vấn đề liên quan đến động học điện tử trong vật liệu hai chiều và hiểu về quá trình vật lý xảy ra khi bắn chùm điện tử lên vật liệu đơn lớp”.