Кіріспе

Американдық физик және инженер (1908–1991)

Джон Бардин (/b//ɑr/'/d//iː//n/; 23 мамыр 1908 – 30 қаңтар 1991) – американдық физик және электр инженері. Ол физика саласында Нобель сыйлығын екі рет алған жалғыз адам: алғашқысы 1956 жылы Уильям Шокли мен Уолтер Браттейнмен бірге транзисторды ойлап тапқандығы үшін; екіншісі 1972 жылы Леон Н. Купер мен Джон Роберт Шриффермен бірге BCS теориясы деп аталатын дәстүрлі суперөткізгіштіктің негізгі теориясы үшін. Транзистор электронды өнеркәсіпте революция жасап, телефондардан компьютерлерге дейін қазіргі заманғы электрондық құрылымдардың дамуына жағдай жасады және Ақпараттық дәуірді бастады. Бардиннің суперөткізгіштік саласындағы жетістіктері – осы жетістіктері үшін ол екінші Нобель сыйлығын алды – ядролық магниттік резонанс спектроскопиясында (ЯМР), медициналық магниттік-резонанстық томографияда (МРТ) және суперөткізгіш кванттық тізбектерде қолданылады. Висконсин штатында туып өскен Бардин Принстон университетінде физика ғылымдарының докторы дәрежесін алды. Екінші дүниежүзілік соғыста қызметтен кейін ол Bell Labs зертханасында зерттеуші, ал Иллинойс университетінде профессор болып жұмыс істеді. 1990 жылы Бардин "Life" журналының "Ғасырдың ең ықпалды 100 американдық" тізіміне енді. Бардин – бір санатта бірнеше Нобель сыйлығын жеңіп алған үш адамның біріншісі (қалғандары Фредерик Сангер және Карл Барри Шарплес химия саласында), және екі Нобель сыйлығына ие болған бес адамның бірі.

Білім және ерте өмір

Бардин 1908 жылғы 23 мамырда Висконсин штатының Мэдисон қаласында дүниеге келді. Ол Висконсин университетінің медициналық мектебінің алғашқы деканы Чарльз Бардиннің ұлы еді. Бардин Мэдисон қаласындағы Висконсин университетінің орта мектебінде білім алды. Ол 1923 жылы 15 жасында мектепті бітірді. Бардин 1928 жылы Висконсин университетінен электр инженериясы саласындағы ғылым бакалавры дәрежесін алды. Чикагода бір жыл жұмыс істеуге үзіліс жасағанына қарамастан, ол 1928 жылы бітірді. Бардин физика және математика пәндерінен оны қызықтырған барлық курстарды оқып, әдеттегі төрт жылдың орнына бес жылда бітірді. Бұл оған Лео Дж. Петерстің ғылыми жетекшілігімен магистрлік диссертациясын аяқтауға мүмкіндік берді. Ол 1929 жылы Висконсин университетінен электр инженериясы мамандығы бойынша ғылым магистрі дәрежесін алды.

Белл зертханалары

1945 жылдың қазан айында Бардин Белл зертханасында Уильям Шокли мен химик Стэнли Морган басқарған қатты дене физикасы тобының мүшесі ретінде жұмыс істей бастады. Топта Уолтер Браттейн, физик Джеральд Пирсон, химик Роберт Гибни, электроника саласының маманы Хилберт Мур және бірнеше техниктер де жұмыс істеді. Ол отбасымен Нью-Джерси штатының Саммит қаласына көшіп барды. Топқа қойылған міндет – сынғыш шыны вакуумдық құбып күшейткіштеріне қатты күйдегі балама табу болатын. Олардың алғашқы әрекеттері Шоклидің жартылай өткізгіштің өткізгіштігіне әсер ету үшін сыртқы электр өрісін пайдалану туралы идеяларына негізделді. Алайда, бұл тәжірибелер әртүрлі конфигурациялар мен материалдарды қолданғанда тағы да тағы қайта-қайта сәтсіз аяқталып отырды. Бардин жартылай өткізгішке өріс енуіне кедергі келтіретін беттік күйлерді қарастыратын теорияны ұсынғанға дейін топ тоқтап қалды. Содан кейін топ осы беттік күйлерді зерттеуге көшті және жұмысты талқылау үшін дерлік күн сайын жиналатын болды. Топ мүшелерінің арасындағы қарым-қатынас өте жақсы болды, идеялар еркін алмасылды. 1946 жылдың қысына қарай Бардин беттік күйлер туралы мақаласын «Physical Review» журналына тапсыруға жеткілікті нәтижелерге қол жеткізді. Браттейн жартылай өткізгіш бетіне күшті жарық шашу арқылы беттік күйлерді зерттеу үшін тәжірибелер жүргізді. Бұл бірнеше қосымша мақалаларға (олардың бірі Шоклимен бірлесіп жазылған) әкелді, онда беттік күйлердің тығыздығы олардың сәтсіз тәжірибелерін түсіндіру үшін жеткілікті деп бағаланды. Жұмыс қарқыны жартылай өткізгіш пен өткізгіш сымдар арасындағы түйіспелерді электролиттермен қоршаған кезде едәуір артты. Мур кіретін сигналдың жиілігін оңай өзгертуге мүмкіндік беретін схема құрастырды және олар буланбайтын тұтқыр химиялық зат – гликол бораты (GU) қолдануды ұсынды. Соңында, Пирсон Шоклидің ұсынысы бойынша әрекет етіп, p–n түйіспесіне орналастырылған GU тамшысына кернеу салғанда, олар қуат күшейтудің алғашқы белгілерін байқады.

Транзистордың өнертабысы

1947 жылғы 23 желтоқсанда Бардин мен Браттейн Шоклидің қатысусыз жұмыс істеп тұрғанда, күшейтуге қол жеткізген нүктелік контактілі транзистор жасауда сәттілікке жетті. Келесі айда Bell Labs патенттік сенімділері патенттік өтініштермен жұмыс істей бастады. Bell Labs сенімділері көп ұзамай Шоклидің өріс эффектісі принципінің 1930 жылы Юлиус Лилиенфельдпен бұрыннан болғанын және патенттелгенін анықтады, ол өзінің MESFET-ке ұқсас патенін 1925 жылғы 22 қазанда Канадада тіркеген. Шокли транзисторды ойлап табудағы ең көп құрметті өзіне алды; бұл Бардиннің онымен қарым-қатынасын нашарлатты. Дегенмен, Bell Labs басшылығы үшеуін де команда ретінде таныстырды. Шокли соңында Бардин мен Браттейнды ашуландырып, оларды бөліп тастады, нәтижесінде екеуі де торапты транзисторда жұмыс істеуге кедергі келтірді. Бардин суперөткізгіштік теориясын зерттеуге кірісіп, 1951 жылы Bell Labs-тен кетті. Браттейн Шоклимен одан әрі жұмыс істеуден бас тартып, басқа топқа бекітілді. Бардин де, Браттейн де транзистордың ойлап табылуынан кейінгі алғашқы жылдан кейін оның дамуына көп қатыспады. "Транзистор" ("трансдукциялық өткізгіштік" және "резистор" сөздерінің қосындысы) теледидар мен радиодағы вакуумдық түтіктерден 1/50 есе кішкентай болды, әлдеқайда аз қуат жұмсады, сенімділігі жоғары болды және электр құрылғыларын ықшамдауға мүмкіндік берді. Иллинойс штатында ол екі маңызды зерттеу бағдарламасын құрды, біреуі электр инженерия факультетінде, екіншісі физика факультетінде. Электр инженерия факультетіндегі зерттеу бағдарламасы жартылай өткізгіштердің эксперименталды және теориялық аспектілерімен, ал физика факультетіндегі зерттеу бағдарламасы макроскопиялық кванттық жүйелердің, әсіресе суперөткізгіштік пен кванттық сұйықтықтардың теориялық аспектілерімен айналысты. Ол 1951 жылдан 1975 жылға дейін Иллинойс университетінде профессор болып жұмыс істеді, содан кейін зейнеткер профессор атанды. CDW электрондық тасымалы ұжымдық кванттық құбылыс екендігі (Макроскопиялық кванттық құбылыстарға қараңыз) бастапқыда күмәнмен қабылданды. Алайда, 2012 жылы жарияланған эксперименттерде тантал трисульфиді сақиналары арқылы магниттік ағымға қарсы CDW тогының тербелістері байқалды, бұл кванттық кедергі құрылғыларының (SQUID және Ахаронов-Бом эффектісін қараңыз) мінез-құлқына ұқсас, CDW электрондық тасымалының негізінен кванттық екендігі туралы идеяны нығайтады. (Кванттық механикаға қараңыз.) Бардин 1980-ші жылдар бойы зерттеулерін жалғастырды және қайтыс болғанға дейін бір жылдан аз уақыт бұрын Physical Review Letters және Physics Today журналдарында мақалалар жариялады. Бардиннің жеке қағаздарының жинағы Иллинойс университетінің мұражайында сақтаулы.

Физика бойынша Нобель сыйлығы 1956 жылы

1956 жылы Джон Бардин Уильям Шокли (Бекман аспаптарының жартылай өткізгіш зертханасы) және Уолтер Браттейн (Белл телефон зертханасы) екеуімен бірге "жартылай өткізгіштерді зерттеулері және транзистор эффектін ашқандары үшін" физика саласындағы Нобель сыйлығын бөлісті. Стокгольмде өткен Нобель сыйлығы табыстау салтанатында Браттейн мен Шокли сол түні король Густав VI Адольфтан марапаттарын алды. Бардин Нобель сыйлығының салтанатына үш баласының тек біреуін ғана алып келді. Король Густав осыған ренжіп, Бардинге ескертпе жасады, ал Бардин корольге келесі жолы барлық балаларын салтанатқа әкелетініне уәде берді. Ол сөзін орындады.

БҚС теориясы

1957 жылы Бардин Леон Купермен және оның докторанты Джон Роберт Шриффермен бірлесіп, BCS теориясы деп аталатын суперөткізгіштіктің стандартты теориясын ұсынды. Кейіннен бұл эффект Джозефсон эффектісі деп аталды. Бардин өзінің мақаласында Джозефсонның теориясын сынға алды, ол Physical Review Letters журналына одан он күн бұрын жіберілген болатын:

Джозефсон жақында туннельдік аймақ арқылы суперсұйық ағын мүмкіндігін талқылау үшін шамамен ұқсас формуланы қолданды, онда квазибөлшектер пайда болмайды. Алайда, автордың мәлімдемесінше (3-ескерту), жұптасу кедергіге дейін жетпейді, сондықтан мұндай суперсұйық ағын болуы мүмкін емес. Бұл мәселе 1962 жылдың 16-22 қыркүйегі аралығында Лондонның Куин-Мэри университетінде өткен 8-ші Халықаралық Төмен Температуралық Физика Конференциясында талқыланды. Джозефсон теориясын ұсынғанда Бардин қарсылықтарын білдіру үшін сөз сөйледі. Қызу пікірталасқа қарамастан, екеуі де бір келісімге келе алмады, тіпті Джозефсон Бардиннен бірнеше рет: «Есептедіңіз бе? Жоқ па? Мен есептедім» деп сұрады. 1963 жылы Джозефсон эффектісін растайтын тәжірибелік деректер мен қосымша теориялық түсіндірмелер табылды, атап айтқанда, Белл зертханасынан Филипп У. Андерсон мен Джон Роуэллдің мақаласында. Осыдан кейін Бардин Джозефсонның теориясын қабылдап, 1963 жылдың тамызында өткен конференцияда бұрынғы қарсылығын ресми түрде қайтарып алды. Бардин сондай-ақ 1965-1966 оқу жылында Джозефсонды Иллинойс штатында постдокторант ретінде шақырды, ал кейіннен Джозефсон мен Джиаверді 1973 жылы алған Физика саласындағы Нобель сыйлығына ұсынды.

1972 жылы физика бойынша Нобель сыйлығы

1972 жылы Бардин физика бойынша Нобель сыйлығын Браун университетінің Леон Н. Куперімен және Пенсильвания университетінің Джон Роберт Шрифферімен "бірлесіп әзірлеген, әдетте BCS теориясы деп аталатын суперөткізгіштік теориясы үшін" бөлісті. Бұл Бардиннің физикадан екінші Нобель сыйлығы болды. Ол бір салада екі Нобель сыйлығын алған алғашқы адам атанды. Бардин Стокгольмдегі Нобель сыйлығының табысталуына үш баласын алып келді. 1960 жылдардың соңында Бардин Купер мен Шриффердің BCS теориясы үшін Нобель сыйлығына лайық екенін түсінді. Ол Нобель комитетінің бір адамды екі рет марапаттауға құлшынбауы салдарынан, олар теорияның авторларының бірі ретінде марапатталуы мүмкін емес деп уайымдады. Бардин 1967 жылы Жозефсон эффектісі сияқты суперөткізгіштік туннельдеу эффектілерін зерттеген ғалымдарды сыйлыққа ұсынды: Лео Эсаки, Ивар Джаевер және Брайан Джозефсон. Ол туннельдеу жетістіктерінің суперөткізгіштікке байланысты екенін мойындады, бұл BCS теориясының өзі бірінші болып тағайындалу мүмкіндігін арттырады. Сондай-ақ, ол Нобель комитетінің көпұлтты командаларды жақсы көретінін, оның туннельдеу номинацияларының әрқайсысы әртүрлі елден келгендігін ескерді. Бардин 1971, 1972 жылдары, BCS сыйлық алған кезде және соңында 1973 жылы, туннельдеуге сыйлық берілгенде номинацияларды жаңартты. Ол физика саласында екі мәрте лауреат атанған жалғыз адам және бірдей жүлдеге екі рет ие болған үш адамның бірі; қалғандары – 1958 және 1980 жылдары химиядан жүлде алған Фредерик Сангер және 2001 және 2022 жылдары химиядан жүлде алған Карл Барри Шарплес.

Ксерокс

Бардин сонымен қатар Xerox корпорациясының маңызды кеңесшісі болды. Мінезінен тыныш болса да, ол ерекше қадам жасап, Xerox басшыларын Калифорниядағы зерттеу орталығы – Xerox PARC-ты сақтап қалуға шақырды, себебі бас компания осы орталықтың нәтижелі болмайтынынан күдіктенді.

Жеке өмір

Бардин 1938 жылғы 18 шілдеде Джейн Максвеллге үйленді. Принстон университетінде оқып жүргенде, ол Питтсбургтегі ескі достарына сапар барысында Джейнмен танысты. Бардин өте қарапайым және тартымды мінезді ғалым еді. Ол Иллинойс университетінде шамамен 40 жыл профессор болып жұмыс істегенімен, көршілері оны көбінесе достарына тамақ дайындап, той-думандар ұйымдастырғаны үшін есінде қалдырды, ал олардың көпшілігі оның университеттегі жетістіктерінен хабарсыз болды. Ол әрқашан қонақтарынан гамбургер наны қуырылғанды ұнататынын сұрайтын (өзі солай жегенді жақсы көретін). Ол гольф ойнауды және отбасымен пикникке баруды ұнататын. Лилиан Ходдесонның айтуынша, ол "қалыпты 'гений' туралы қалыптасқан көзқарасқа түбегейлі қайшы келіп, қарапайым болып көрінуге мүдделі болмағандықтан, көпшілік пен бұқаралық ақпарат құралдары оны көбінесе назарынан тыс қалдырды". Джон Бардиннің балалары шіркеуге оның әйелі алып баратын, ол жексенбілік мектепте сабақ беріп, шіркеудің қариясы болды. Дегенмен, ол және оның әйелі өмірден кейін де бір нәрсе бар екеніне және басқа да діни сенімдерге сенбейтіндерін айтты. Ол Джеймс М. Бардин, Уильям А. Бардин және қызы Элизабеттің әкесі болды.

Өлім

Бардин 1991 жылғы 30 қаңтарда Бостон қаласындағы Бриггем және әйелдер ауруханасында жүрек ауруынан 82 жасында қайтыс болды. Sony Corporation өзінің жетістігінің көп бөлігін Бардиннің транзисторларын портативті теледидарлар мен радиоларда коммерциялық тұрғыдан пайдалануға және Иллинойс штатының зерттеушілерімен жұмыс істеуге қарыстырады. 2022 жылғы мәлімет бойынша Джон Бардин атындағы профессор Юрий Власов. Бардиннің қазасынан кейін Иллинойс университетінің канцлері Мортон Вейр: «Әрбір американның өмірін өзгертетін сирек адам болады; Джонның еңбегі сондай болды» деді. Оның цитатында былай делінген: «Теориялық физик Джон Бардин (1908–1991) екі рет Физика бойынша Нобель сыйлығын бөлісті – 1956 жылы транзисторды бірлесіп ойлап тапқандығы үшін және 1972 жылы суперөткізгіштікті түсіндіргені үшін. Транзистор компьютерлерден микрочиптерге дейін қазіргі заманғы барлық электрониканың дамуына жол ашты. Суперөткізгіштіктің алуан түрлі қолданыстары инфрақызыл сенсорларды және медициналық бейнелеу жүйелерін қамтиды». «Америка ғалымдары» парағында биохимик Герти Кори, химик Линус Полинг және астроном Эдвин Хаббл да бар.