Die Wissenschaft ist ein Bereich, der sich kontinuierlich mit sich ständig erweiternden Grenzen entwickelt.
John Bardeen war ein amerikanischer Physiker. Er ist die einzige Person, der der Nobelpreis für Physik zweimal verliehen wurde: zunächst 1956 zusammen mit William Shockley und Walter Brattain für die Erfindung des Transistors; und erneut 1972 zusammen mit Leon N Cooper und John Robert Schrieffer für eine Grundtheorie der konventionellen Supraleitung, bekannt als BCS-Theorie.
Der Transistor revolutionierte die Elektronikindustrie und ermöglichte die Entwicklung fast aller modernen elektronischen Geräte, von Telefonen bis zu Computern, und leitete das Informationszeitalter ein. Bardeens Entwicklungen in der Supraleitung – für die ihm sein zweiter Nobelpreis verliehen wurde – werden in der Kernspinresonanzspektroskopie NMR und der medizinischen Magnetresonanzbildgebung MRI verwendet.
Bardeen wurde in Wisconsin geboren und aufgezogen und erhielt seinen Ph.D. in Physik von der Princeton University. Nach seinem Dienst im Zweiten Weltkrieg war er Forscher bei Bell Labs und Professor an der University of Illinois. 1990 erschien Bardeen auf der Liste der „100 einflussreichsten Amerikaner des Jahrhunderts" des Life Magazine.
Ausbildung und frühes Leben
Bardeen wurde am 23. Mai 1908 in Madison, Wisconsin, geboren. Er war der Sohn von Charles Bardeen, dem ersten Dekan der Medical School der University of Wisconsin.
Bardeen besuchte die University High School in Madison. Er schloss die Schule 1923 im Alter von 15 Jahren ab. Er hätte mehrere Jahre früher graduieren können, aber dies wurde aufgeschoben, weil er Kurse an einer anderen High School besuchte und wegen des Todes seiner Mutter. Er trat 1923 in die University of Wisconsin ein. Während des Studiums trat er der Zeta Psi Verbindung bei. Er sammelte die erforderlichen Mitgliedsbeiträge teilweise durch Billardspiele ein. Er wurde als Mitglied der Tau Beta Pi Ingenieursehrensozietät aufgenommen. Er wählte Ingenieurwesen, weil er nicht wie sein Vater akademisch sein wollte. Er hatte auch das Gefühl, dass Ingenieurwesen gute Berufsaussichten bot.
Bardeen erhielt seinen Bachelor of Science in Elektrotechnik 1928 von der University of Wisconsin–Madison. Er graduierte 1928, obwohl er ein Jahr Auszeit nahm, um in Chicago zu arbeiten. Er absolvierte alle Graduiertenkurse in Physik und Mathematik, die ihn interessierten, und graduierte in fünf statt der üblichen vier Jahren. Dies gab ihm Zeit, seine Master-Arbeit abzuschließen, die von Leo J. Peters betreut wurde. Er erhielt seinen Master of Science in Elektrotechnik 1929 von Wisconsin.
Bardeen vertiefte seine Studien, indem er in Wisconsin blieb, aber er ging schließlich zur Gulf Research Laboratories arbeiten, dem Forschungsarm der Gulf Oil Corporation mit Sitz in Pittsburgh. Von 1930 bis 1933 arbeitete Bardeen dort an der Entwicklung von Methoden zur Interpretation von Magnet- und Gravitationsvermessungen. Er arbeitete als Geophysiker. Nachdem die Arbeit sein Interesse nicht mehr weckte, bewarb er sich und wurde akzeptiert für das Graduiertenprogramm in Mathematik an der Princeton University.
Als Doktorand studierte Bardeen Mathematik und Physik. Unter Physiker Eugene Wigner schrieb er schließlich seine Dissertation über ein Problem in der Festkörperphysik. Bevor er seine Dissertation abschloss, wurde ihm 1935 eine Position als Junior Fellow der Society of Fellows an der Harvard University angeboten. Er verbrachte die nächsten drei Jahre dort, von 1935 bis 1938, arbeitend mit zukünftigen Nobelpreisträgern der Physik John Hasbrouck van Vleck und Percy Williams Bridgman an Problemen der Kohäsion und elektrischen Leitung in Metallen, und machte auch einige Arbeiten zur Niveaudichte von Kernen. Er erhielt seinen Ph.D. in mathematischer Physik von Princeton 1936.
Karriere und Forschung
Dienst im Zweiten Weltkrieg
Von 1941 bis 1944 leitete Bardeen die Gruppe, die am Naval Ordnance Laboratory an magnetischen Minen und Torpedos sowie an Gegen- und Abwehrmaßnahmen arbeitete. Während dieser Zeit gebar seine Frau Jane einen Sohn Bill, geboren 1941, und eine Tochter Betsy, geboren 1944.
Bell Labs
Im Oktober 1945 begann Bardeen bei Bell Labs zu arbeiten. Er war Mitglied einer Festkörperphysik-Gruppe unter der Leitung von William Shockley und Chemiker Stanley Morgan. Andere Personen, die in der Gruppe arbeiteten, waren Walter Brattain, Physiker Gerald Pearson, Chemiker Robert Gibney, Elektronik-Experte Hilbert Moore und mehrere Techniker. Er zog mit seiner Familie nach Summit, New Jersey.
Die Aufgabe der Gruppe bestand darin, eine Festkörperalternative zu zerbrechlichen Glasvakuumröhrenverstärkern zu suchen. Ihre ersten Versuche basierten auf Shockleys Ideen, ein äußeres elektrisches Feld auf einen Halbleiter anzuwenden, um seine Leitfähigkeit zu beeinflussen. Diese Experimente schlugen mysteriöserweise jedes Mal in allen möglichen Konfigurationen und Materialien fehl. Die Gruppe war festgefahren, bis Bardeen eine Theorie vorschlug, die Oberflächenzustände annahm, die das Feld daran hinderten, in den Halbleiter einzudringen. Die Gruppe verlagerte ihren Fokus auf die Untersuchung dieser Oberflächenzustände, und sie trafen sich fast täglich, um die Arbeit zu besprechen. Das Verhältnis der Gruppe war ausgezeichnet, und Ideen wurden frei ausgetauscht. Im Winter 1946 hatten sie genug Ergebnisse, dass Bardeen ein Papier über die Oberflächenzustände der Physical Review einreichte. Brattain begann, Experimente zur Untersuchung der Oberflächenzustände durchzuführen, indem er Beobachtungen machte, während er helles Licht auf die Halbleiteroberfläche schien. Dies führte zu mehreren weiteren Arbeiten, eine davon gemeinsam mit Shockley verfasst, die die Dichte der Oberflächenzustände auf mehr als genug schätzten, um ihre fehlgeschlagenen Experimente zu erklären. Das Tempo der Arbeit nahm deutlich zu, wenn sie Punktkontakte zwischen dem Halbleiter und den Drähten mit Elektrolyten umgaben. Moore baute eine Schaltung, mit der sie die Frequenz des Eingangssignals leicht variieren konnten und schlug vor, Glykolborat gu zu verwenden, eine zähflüssige Chemikalie, die nicht verdampfte. Schließlich begannen sie, einige Hinweise auf eine Leistungsverstärkung zu erhalten, als Pearson auf Vorschlag von Shockley eine Spannung auf einen Tropfen gu legte, der über einen p–n-Übergang verteilt war.
Die Erfindung des Transistors
Am 23. Dezember 1947 arbeiteten Bardeen und Brattain ohne Shockley, als sie erfolgreich einen Punktkontakt-Transistor schufen, der Verstärkung erreichte. Im nächsten Monat begannen die Patentanwälte von Bell Labs, an den Patentanmeldungen zu arbeiten.
Die Anwälte von Bell Labs stellten bald fest, dass Shockleys Feldeffekt-Prinzip bereits 1930 von Julius Lilienfeld antizipiert und patentiert worden war, der sein MESFET-ähnliches Patent am 22. Oktober 1925 in Kanada anmeldete.
Shockley nahm öffentlich den Löwenanteil der Anerkennung für die Erfindung des Transistors für sich; dies führte zu einer Verschlechterung von Bardeens Beziehung zu Shockley. Die Geschäftsführung von Bell Labs präsentierte jedoch konsequent alle drei Erfinder als Team. Shockley verärgerte und entfremdete schließlich Bardeen und Brattain und blockierte die beiden im Wesentlichen daran, am Sperrschicht-Transistor zu arbeiten. Bardeen begann, eine Theorie für Supraleitung zu verfolgen, und verließ Bell Labs 1951. Brattain weigerte sich, weiter mit Shockley zu arbeiten, und wurde einer anderen Gruppe zugewiesen. Weder Bardeen noch Brattain hatten viel mit der Entwicklung des Transistors über das erste Jahr nach seiner Erfindung hinaus zu tun.
Der „Transistor", ein Kunstwort aus „TransConductance" und „Resistor", war 1/50 der Größe der Vakuumröhren, die er in Fernsehern und Radios ersetzte, verbrauchte viel weniger Strom, war viel zuverlässiger, und er ermöglichte es elektronischen Geräten, kompakter zu werden.
University of Illinois at Urbana–Champaign
Um 1951 suchte Bardeen einen neuen Job. Fred Seitz, ein Freund von Bardeen, überredete die University of Illinois at Urbana–Champaign, Bardeen ein Angebot von 10.000 Dollar pro Jahr zu machen. Bardeen akzeptierte das Angebot und verließ Bell Labs. Er trat 1951 der Ingenieur- und Physikfakultät an der University of Illinois at Urbana–Champaign bei. Er war Professor für Elektrotechnik und Physik in Illinois. Sein Ph.D.-Student Nick Holonyak von 1954 erfand 1962 die LED.
In Illinois etablierte er zwei große Forschungsprogramme, eines in der Abteilung für Elektrotechnik und eines in der Physik-Abteilung. Das Forschungsprogramm in der Abteilung für Elektrotechnik befasste sich mit experimentellen und theoretischen Aspekten von Halbleitern, und das Forschungsprogramm in der Physik-Abteilung befasste sich mit theoretischen Aspekten makroskopischer Quantensysteme, insbesondere Supraleitung und Quantumflüssigkeiten.
Er war ein aktiver Professor in Illinois von 1951 bis 1975 und wurde dann Professor Emeritus. In seinem späteren Leben blieb Bardeen in der akademischen Forschung aktiv, wobei er sich auf das Verständnis des Elektronenflusses in Ladungsdichtewellen CDWs durch metallische lineare Kettenverbindungen konzentrierte. Seine Vorschläge, dass CDW-Elektronentransport ein kollektives Quantenphänomen ist, siehe Makroskopische Quantenphänomene, wurden anfangs mit Skepsis aufgenommen. Experimente, die 2012 berichtet wurden, zeigen jedoch Oszillationen in CDW-Strom versus Magnetfluss durch Tantalsulfidchemie-Ringe, ähnlich dem Verhalten von supraleitenden Quanteninterferenzgeräten, siehe SQUID und Aharonov–Bohm-Effekt, was der Idee Glaubwürdigkeit verleiht, dass kollektiver CDW-Elektronentransport grundlegend quantenmechanischer Natur ist. Siehe Quantenmechanik. Bardeen setzte seine Forschung während der 1980er Jahre fort und veröffentlichte Artikel in Physical Review Letters und Physics Today weniger als ein Jahr vor seinem Tod.
Der Nobelpreis für Physik 1956
1956 teilte sich John Bardeen den Nobelpreis für Physik mit William Shockley vom Semiconductor Laboratory der Beckman Instruments und Walter Brattain von Bell Telephone Laboratories „für ihre Forschungen an Halbleitern und ihre Entdeckung des Transistoreffekts".
Bei der Nobelpreisverleihung in Stockholm erhielten Brattain und Shockley ihre Auszeichnungen in dieser Nacht von König Gustaf VI Adolf. Bardeen brachte nur eines seiner drei Kinder zur Nobelpreisverleihung. König Gustav tadelte Bardeen deshalb, und Bardeen versicherte dem König, dass er das nächste Mal alle seine Kinder zur Verleihung bringen würde. Er hielt sein Versprechen.
BCS-Theorie
1957 schlugen Bardeen in Zusammenarbeit mit Leon Cooper und seinem Doktoranden John Robert Schrieffer die Standardtheorie der Supraleitung vor, bekannt als BCS-Theorie, benannt nach ihren Initialen.
Der Nobelpreis für Physik 1972
1972 teilte sich Bardeen den Nobelpreis für Physik mit Leon N Cooper von der Brown University und John Robert Schrieffer von der University of Pennsylvania „für ihre gemeinsam entwickelte Theorie der Supraleitung, gewöhnlich BCS-Theorie genannt". Dies war Bardeens zweiter Nobelpreis für Physik. Er wurde die erste Person, die zwei Nobelpreise im selben Bereich gewann. Nur drei andere haben jemals mehr als einen Nobelpreis erhalten.
Bardeen brachte seine drei Kinder zur Nobelpreisverleihung in Stockholm. Bardeen gab einen großen Teil seines Nobelpreisgelds zur Unterstützung der Fritz London Memorial Lectures an der Duke University.
Weitere Auszeichnungen
Neben der zweifachen Verleihung des Nobelpreises hat Bardeen zahlreiche weitere Auszeichnungen, darunter:
- 1952 Stuart Ballantine Medal des Franklin Institute.
- 1959 zum Fellow der American Academy of Arts and Sciences gewählt
- 1965 National Medal of Science.
- 1971 IEEE Medal of Honor für „seine tiefgreifenden Beiträge zum Verständnis der Leitfähigkeit von Feststoffen, zur Erfindung des Transistors und zur mikroskopischen Theorie der Supraleitung."
- 1973 zum auswärtigen Mitglied der Royal Society ForMemRS gewählt.
- 1975 Franklin Medal.
- Am 10. Januar 1977 wurde John Bardeen von Präsident Gerald Ford die Presidential Medal of Freedom verliehen. Er wurde bei der Verleihung von seinem Sohn William Bardeen vertreten.
- Bardeen war einer von 11 Empfängern des Third Century Award von Präsident George H. W. Bush 1990 für „außergewöhnliche Beiträge zur amerikanischen Gesellschaft" und erhielt 1988 eine Goldmedaille der Sowjetischen Akademie der Wissenschaften.
- 1987 Golden Plate Award der American Academy of Achievement
Xerox
Bardeen war auch ein wichtiger Berater der Xerox Corporation. Obwohl er von Natur aus ruhig war, ergriff er den ungewöhnlichen Schritt, Xerox-Führungskräfte zu ermutigen, ihr kalifornisches Forschungszentrum, Xerox PARC, am Leben zu erhalten, als das Mutterunternehmen argwöhnisch war, dass sein Forschungszentrum wenig bewirken würde.
Persönliches Leben
Bardeen heiratete Jane Maxwell am 18. Juli 1938. Während er in Princeton war, traf er Jane während eines Besuchs bei seinen alten Freunden in Pittsburgh.
Bardeen war ein Wissenschaftler mit einer sehr bescheidenen Persönlichkeit. Während er fast 40 Jahre als Professor an der University of Illinois tätig war, wurde er von Nachbarn am besten dafür in Erinnerung behalten, dass er Grillabende veranstaltete, bei denen er für seine Freunde kochte, von denen viele sich seiner Leistungen an der Universität nicht bewusst waren. Er würde seine Gäste immer fragen, ob ihnen das Hamburger-Brötchen geröstet gefällt, da er es so mochte. Er genoss es, Golf zu spielen und mit seiner Familie Picknicks zu machen. Lillian Hoddeson, eine Historikerin der University of Illinois, die ein Buch über Bardeen schrieb, sagte, dass er, weil er „radikal vom populären Stereotyp des „Genies" abwich und
