Джон Бардин: Физик и инженер, дважды лауреат Нобелевской премии.

Введение

Американский физик и инженер (1908–1991)

Джон Бардин (/bɑr/'/d//iː//n/; 23 мая 1908 – 30 января 1991) был американским физиком и инженером-электриком. Он – единственный человек, удостоенный Нобелевской премии по физике дважды: впервые в 1956 году совместно с Уильямом Шокли и Уолтером Браттейном за изобретение транзистора, а затем в 1972 году вместе с Леоном Н. Купером и Джоном Робертом Шриффером за фундаментальную теорию обычной сверхпроводимости, известную как теория БКШ. Транзистор совершил революцию в электронной промышленности, сделав возможным создание практически любого современного электронного устройства – от телефонов до компьютеров – и положив начало информационной эпохе. Разработки Бардина в области сверхпроводимости, за которые он был удостоен второй Нобелевской премии, применяются в ядерном магнитном резонансе (ЯМР), магнитно-резонансной томографии (МРТ) в медицине и сверхпроводящих квантовых схемах. Родился и вырос в Висконсине, Бардин получил степень доктора философии (Ph.D.) по физике в Принстонском университете. После участия во Второй мировой войне он работал научным сотрудником в Bell Labs и профессором в Университете Иллинойса. В 1990 году Бардин вошел в список журнала Life «100 самых влиятельных американцев века». Бардин – первый из трех человек, получивших несколько Нобелевских премий в одной и той же области (другие – Фредерик Сэнгер и Карл Барри Шарплесс в области химии), и один из пяти человек, получивших две Нобелевские премии.

Образование и ранние годы жизни

Бардин родился в Мэдисоне, штат Висконсин, 23 мая 1908 года. Он был сыном Чарльза Бардина, первого декана Медицинской школы Университета Висконсина. Бардин учился в средней школе при Университете Висконсина в Мэдисоне. Он окончил школу в 1923 году в возрасте 15 лет. Бардин получил степень бакалавра наук по электротехнике в 1928 году в Университете Висконсина. Несмотря на то, что он сделал годичный перерыв для работы в Чикаго, он завершил обучение в 1928 году. Прослушав все интересующие его курсы по физике и математике, Бардин окончил университет за пять лет вместо обычных четырёх. Это позволило ему завершить магистерскую диссертацию под руководством Лео Дж. Петерса. Он получил степень магистра наук по электротехнике в 1929 году в Университете Висконсина.

Лаборатории Белла

В октябре 1945 года Бардин начал работу в лабораториях Белл в качестве члена группы по физике твердого тела под руководством Уильяма Шокли и химика Стэнли Моргана. Другими сотрудниками группы были Уолтер Браттейн, физик Джеральд Пирсон, химик Роберт Гибни, специалист по электронике Гильберт Мур и несколько техников. Он переехал с семьей в Саммит, штат Нью-Джерси. Задача группы заключалась в поиске твердотельной альтернативы хрупким стеклянным вакуумным ламповым усилителям. Их первые попытки основывались на идеях Шокли об использовании внешнего электрического поля на полупроводнике для изменения его проводимости. Эти эксперименты необъяснимым образом терпели неудачу каждый раз, при любых конфигурациях и материалах. Группа зашла в тупик, пока Бардин не предложил теорию, объясняющую это наличием поверхностных состояний, препятствующих проникновению поля в полупроводник. Группа переключила свое внимание на изучение этих поверхностных состояний, собираясь почти ежедневно для обсуждения работы. В группе царила отличная атмосфера и осуществлялся свободный обмен идеями. К зиме 1946 года у них накопилось достаточно результатов, чтобы Бардин представил статью о поверхностных состояниях в журнал Physical Review. Браттейн начал эксперименты по изучению поверхностных состояний, проводя наблюдения при освещении поверхности полупроводника ярким светом. Это привело к нескольким публикациям (одна из которых была написана совместно с Шокли), в которых оценивалась плотность поверхностных состояний как более чем достаточную для объяснения их предыдущих неудач. Темп работы значительно ускорился, когда они начали окружать точечные контакты между полупроводником и проводящими проводами электролитами. Мур разработал схему, позволявшую им легко изменять частоту входного сигнала, и предложил использовать борат гликоля (гу) – вязкую химическую жидкость, не испаряющуюся. Наконец, они начали получать первые признаки усиления мощности, когда Пирсон, по предложению Шокли, приложил напряжение к капле гу, помещенной на p–n-переход.

Изобретение транзистора

23 декабря 1947 года Бардин и Браттейн работали без Шокли, когда им удалось создать точечный транзистор, обеспечивший усиление сигнала. Уже в следующем месяце патентные поверенные Bell Labs приступили к работе над патентными заявками. Вскоре патентные поверенные Bell Labs обнаружили, что принцип полевого эффекта Шокли был предвосхищен и запатентован в 1930 году Джулиусом Лилиенфельдом, который подал заявку на патент, аналогичный MESFET, в Канаде 22 октября 1925 года. Шокли публично присвоил себе большую часть заслуг за изобретение транзистора, что привело к ухудшению отношений с Бардином. Однако руководство Bell Labs последовательно представляло всех троих изобретателей как единую команду. Шокли в конечном итоге вызвал гнев и отчуждение Бардина и Браттейна, фактически лишив их возможности работать над транзистором с переходом. Бардин начал разрабатывать теорию сверхпроводимости и покинул Bell Labs в 1951 году. Браттейн отказался от дальнейшей работы с Шокли и был переведен в другую группу. Ни Бардин, ни Браттейн больше не принимали существенного участия в развитии транзистора после первого года после его изобретения. "Транзистор" (образованный от слов "транспроводимость" и "резистор") был в 50 раз меньше вакуумных ламп, которые он заменил в телевизорах и радиоприемниках, потреблял значительно меньше энергии, был гораздо надежнее и позволил сделать электрические устройства более компактными. В Иллинойском университете он организовал две крупные исследовательские программы: одну в отделе электротехники и одну в отделе физики. Программа в отделе электротехники занималась как экспериментальными, так и теоретическими аспектами полупроводников, а программа в отделе физики – теоретическими аспектами макроскопических квантовых систем, в частности сверхпроводимости и квантовых жидкостей. Он был активным профессором Иллинойского университета с 1951 по 1975 год, после чего стал профессором эмеритом. Первоначально с недоверием встретили утверждения о том, что транспорт электронов в CDW является коллективным квантовым явлением (см. Макроскопические квантовые явления). Однако эксперименты, опубликованные в 2012 году, показали колебания тока CDW в зависимости от магнитного потока через кольца трисульфида тантала, аналогичные поведению сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств (см. SQUID и эффект Ааронова — Бома), что подтверждает идею о том, что коллективный транспорт электронов в CDW имеет фундаментально квантовую природу. (См. квантовую механику.) Бардин продолжал свои исследования в 1980-х годах и опубликовал статьи в журналах Physical Review Letters и Physics Today менее чем за год до своей смерти. Коллекция личных документов Бардина хранится в архивах Иллинойского университета.

On December 23, 1947, Bardeen and Brattain were working without Shockley when they succeeded in creating a point contact transistor that achieved amplification. By the next month, Bell Labs' patent attorneys started to work on the patent applications. Bell Labs' attorneys soon discovered that Shockley's field effect principle had been anticipated and patented in 1930 by Julius Lilienfeld, who filed his MESFET like patent in Canada on October 22, 1925. Shockley publicly took the lion's share of the credit for the invention of the transistor; this led to a deterioration of Bardeen's relationship with him. Bell Labs management, however, consistently presented all three inventors as a team. Shockley eventually infuriated and alienated Bardeen and Brattain, essentially blocking the two from working on the junction transistor. Bardeen began pursuing a theory for superconductivity and left Bell Labs in 1951. Brattain refused to work with Shockley further and was assigned to another group. Neither Bardeen nor Brattain had much to do with the development of the transistor beyond the first year after its invention. The "transistor" (a portmanteau of "transconductance" and "resistor") was 1/50 the size of the vacuum tubes it replaced in televisions and radios, used far less power, was far more reliable, and it allowed electrical devices to become more compact. At Illinois, he established two major research programs, one in the electrical engineering department and one in the physics department. The research program in the electrical engineering department dealt with both experimental and theoretical aspects of semiconductors, and the research program in the physics department dealt with theoretical aspects of macroscopic quantum systems, particularly superconductivity and quantum liquids. He was an active professor at Illinois from 1951 to 1975 and then became professor emeritus. that CDW electron transport is a collective quantum phenomenon (see Macroscopic quantum phenomena) were initially greeted with skepticism. However, experiments reported in 2012 show oscillations in CDW current versus magnetic flux through tantalum trisulfide rings, similar to the behavior of superconducting quantum interference devices (see SQUID and Aharonov–Bohm effect), lending credence to the idea that collective CDW electron transport is fundamentally quantum in nature. (See quantum mechanics.) Bardeen continued his research throughout the 1980s, and published articles in Physical Review Letters and Physics Today less than a year before he died. A collection of Bardeen's personal papers are held by the University of Illinois Archives.

Нобелевская премия по физике в 1956 году

В 1956 году Джон Бардин разделил Нобелевскую премию по физике с Уильямом Шокли из Лаборатории полупроводников Beckman Instruments и Уолтером Браттейном из Bell Telephone Laboratories "за их исследования в области полупроводников и открытие транзисторного эффекта". На церемонии вручения Нобелевской премии в Стокгольме Браттейн и Шокли получили награды в ту ночь из рук короля Густава VI Адольфа. Бардин взял на церемонию только одного из своих троих детей. Король Густав упрекнул Бардина за это, и Бардин заверил короля, что в следующий раз приведет всех своих детей на церемонию. Он выполнил свое обещание.

Теория БКС

В 1957 году Бардин в сотрудничестве с Леоном Купером и его докторантом Джоном Робертом Шриффером предложил стандартную теорию сверхпроводимости, известную как теория БКШ (названа по их инициалам). эффект, который позже стал известен как эффект Джозефсона. Бардин оспорил теорию Джозефсона в своей собственной статье, полученной в Physical Review Letters десять дней спустя:

В недавней заметке Джозефсон использует несколько схожую формулировку для обсуждения возможности сверхтекучего потока через туннельную область, в которой не создаются квазичастицы. Однако, как указал автор (ссылка 3), спаривание не распространяется в барьер, поэтому такой сверхтекучий поток невозможен. Этот вопрос был далее обсужден на 8-й Международной конференции по физике низких температур, проходившей с 16 по 22 сентября 1962 года в Лондонском университете королевы Марии. Пока Джозефсон представлял свою теорию, Бардин встал, чтобы изложить свои возражения. После напряженных дебатов обоим не удалось прийти к общему пониманию, и в определенные моменты Джозефсон неоднократно спрашивал Бардина: "Вы это рассчитали? – Нет? – Я рассчитал". В 1963 году были получены экспериментальные подтверждения и дальнейшие теоретические уточнения, поддерживающие эффект Джозефсона, в частности, в статье Филиппа У. Андерсона и Джона Роуэлла из Bell Labs. После этого Бардин признал теорию Джозефсона и публично отказался от своей прежней оппозиции на конференции, состоявшейся в августе 1963 года. Бардин также пригласил Джозефсона в качестве постдока в Иллинойс на 1965–1966 учебный год и впоследствии номинировал Джозефсона и Джиавера на Нобелевскую премию по физике, которую они получили в 1973 году.

Нобелевская премия по физике в 1972 году

В 1972 году Бардин разделил Нобелевскую премию по физике с Леоном Н. Купером из Университета Брауна и Джоном Робертом Шриффером из Университета Пенсильвании «за совместно разработанную теорию сверхпроводимости, обычно называемую теорией БКШ». Это была вторая Нобелевская премия Бардина по физике. Он стал первым человеком, удостоенным двух Нобелевских премий в одной и той же области. Бардин взял с собой на церемонию вручения Нобелевской премии в Стокгольме своих троих детей. В конце 1960-х годов Бардин считал, что Купер и Шриффер заслуживают Нобелевской премии за теорию БКШ. Он опасался, что они могут остаться без награды из-за нежелания Нобелевского комитета награждать одного и того же человека дважды, что касалось бы и его как соавтора теории. В 1967 году Бардин выдвинул на премию ученых, работавших над сверхпроводящими туннельными эффектами, такими как эффект Джозефсона: Лео Эсаки, Ивара Джайвера и Брайана Джозефсона. Он понимал, что поскольку разработки в области туннелирования зависят от сверхпроводимости, это повысит вероятность того, что сначала будет награждена сама теория БКШ. Он также полагал, что Нобелевский комитет склоняется к многонациональным командам, что соответствовало его кандидатам, каждый из которых представлял разные страны. Бардин повторно выдвигал кандидатуры в 1971, 1972 годах, когда премию получила теория БКШ, и, наконец, в 1973 году, когда была отмечена работа в области туннелирования. Он – единственный лауреат двух Нобелевских премий по физике и один из трех лауреатов, дважды получивших одну и ту же премию; остальные – Фредерик Сэнгер, удостоенный премий по химии в 1958 и 1980 годах, и Карл Барри Шарплесс, получивший премии по химии в 2001 и 2022 годах.

Ксерокопирование

Бардин также был важным советником корпорации Xerox. Несмотря на свою скромность, он предпринял нехарактерный шаг, настоятельно рекомендовав руководству Xerox сохранить калифорнийский исследовательский центр Xerox PARC, когда материнская компания сомневалась в его перспективности.

Личная жизнь

Бардин женился на Джейн Максвелл 18 июля 1938 года. Во время работы в Принстоне он познакомился с Джейн, посетив своих старых друзей в Питтсбурге. Бардин был ученым с очень непритязательной личностью. Хотя он почти 40 лет преподавал в Университете Иллинойса, соседи больше всего запомнили его как гостеприимного хозяина, устраивавшего пикники, где он готовил еду для друзей, многие из которых не знали о его научных достижениях. Он всегда спрашивал гостей, любят ли они поджаренные булочки для гамбургеров (потому что сам предпочитал их именно такими). Он любил играть в гольф и ходить на пикники с семьей. Лилиан Ходдесон отмечала, что поскольку он "резко отличался от общепринятого стереотипа "гения" и не стремился казаться выдающимся, его часто упускали из виду общественность и пресса". Детей Джона Бардина водила в церковь его жена, которая преподавала в воскресной школе и была членом церковного совета. Несмотря на это, он и его жена открыто заявляли, что не верят в загробную жизнь и другие религиозные представления. Он был отцом Джеймса М. Бардина, Уильяма А. Бардина и дочери Элизабет.

Смерть

Бардин умер от сердечной болезни в возрасте 82 лет в больнице Бригама и Женщин в Бостоне, штат Массачусетс, 30 января 1991 года. Компания Sony обязана значительной частью своего успеха коммерциализации транзисторов Бардина в портативных телевизорах и радиоприемниках и сотрудничала с исследователями из Иллинойса. По состоянию на 2022 год должность профессора имени Джона Бардина занимает Юрий Власов. В момент смерти Бардина тогдашний канцлер Университета Иллинойса Мортон Уэйр сказал: «Редко кто из людей своей работой меняет жизнь каждого американца; Джону это удалось». В его некрологе сказано: «Теоретический физик Джон Бардин (1908–1991) дважды был удостоен Нобелевской премии по физике — в 1956 году как соизобретатель транзистора и в 1972 году за объяснение сверхпроводимости. Транзистор открыл путь для всей современной электроники, от компьютеров до микрочипов. Сверхпроводимость находит применение в различных областях, таких как инфракрасные датчики и системы медицинской визуализации». Среди других ученых, представленных на листе "Американские ученые", – биохимик Герти Кори, химик Лайнус Полинг и астроном Эдвин Хаббл.