Наука — это область, которая постоянно развивается с расширяющимися границами.
John Bardeen был американским физиком. Он единственный человек, который был дважды удостоен Нобелевской премии по физике: в первый раз в 1956 году вместе с William Shockley и Walter Brattain за изобретение транзистора; и снова в 1972 году вместе с Leon N Cooper и John Robert Schrieffer за фундаментальную теорию традиционной сверхпроводимости, известную как теория BCS.
Транзистор революционизировал электронную промышленность, сделав возможным развитие почти каждого современного электронного устройства, от телефонов до компьютеров, и открыл эру информационных технологий. Разработки Bardeen в области сверхпроводимости — за которые он был удостоен второй Нобелевской премии — используются в спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и медицинской магнитно-резонансной томографии (МРТ).
Родившись и выросший в Wisconsin, Bardeen получил докторскую степень по физике в Princeton University. После службы во Второй мировой войне он был исследователем в Bell Labs и профессором Университета Illinois. В 1990 году Bardeen был включён в список журнала Life «100 самых влиятельных американцев века».
Образование и ранняя жизнь
Bardeen родился в Madison, Wisconsin, 23 мая 1908 года. Он был сыном Charles Bardeen, первого декана медицинской школы Университета Wisconsin.
Bardeen учился в University High School в Madison. Он окончил школу в 1923 году в возрасте 15 лет. Он мог бы закончить школу несколько лет раньше, но это было отложено, потому что он брал курсы в другой школе и из-за смерти его матери. Он поступил в Университет Wisconsin в 1923 году. Во время учёбы в колледже он присоединился к братству Zeta Psi. Он собрал необходимые членские взносы отчасти, играя в бильярд. Он был инициирован как член инженерного общества чести Tau Beta Pi. Он выбрал инженерное дело, потому что не хотел быть академиком, как его отец. Он также считал, что инженерное дело имеет хорошие перспективы трудоустройства.
Bardeen получил степень бакалавра наук в области электротехники в 1928 году в Университете Wisconsin–Madison. Он закончил учебу в 1928 году, несмотря на то, что взял год отпуска для работы в Chicago. Он прошёл все курсы магистратуры по физике и математике, которые его интересовали, и закончил учебу за пять лет вместо обычных четырёх. Это позволило ему завершить магистерскую диссертацию под руководством Leo J. Peters. Он получил степень магистра наук в области электротехники в 1929 году в Wisconsin.
Bardeen продолжил свои исследования, оставаясь в Wisconsin, но в конце концов он пошёл работать в Gulf Research Laboratories, исследовательское подразделение Gulf Oil Corporation, базировавшееся в Pittsburgh. С 1930 по 1933 год Bardeen работал там над разработкой методов интерпретации магнитных и гравитационных исследований. Он работал геофизиком. После того как эта работа перестала его интересовать, он подал заявку и был принят в аспирантуру по математике в Princeton University.
Аспирант Bardeen изучал математику и физику. Под руководством физика Eugene Wigner он в итоге написал свою диссертацию по задаче физики твёрдого тела. Перед завершением диссертации ему была предложена должность младшего стипендиата Общества стипендиатов в Harvard University в 1935 году. Он провёл там следующие три года, с 1935 по 1938 год, работая с будущими лауреатами Нобелевской премии по физике John Hasbrouck van Vleck и Percy Williams Bridgman над проблемами когезии и электропроводности в металлах, а также проделал некоторую работу по плотности уровней ядер. Он получил докторскую степень по математической физике в Princeton в 1936 году.
Карьера и исследования
Служба во Второй мировой войне
С 1941 по 1944 год Bardeen возглавлял группу, работавшую над магнитными минами и торпедами, а также контрмерами против мин и торпед в Naval Ordnance Laboratory. В этот период его жена Jane родила сына Bill, родившегося в 1941 году, и дочь Betsy, родившуюся в 1944 году.
Bell Labs
В октябре 1945 года Bardeen начал работать в Bell Labs. Он был членом группы физики твёрдого тела под руководством William Shockley и химика Stanley Morgan. Другие сотрудники, работавшие в группе, включали Walter Brattain, физика Gerald Pearson, химика Robert Gibney, эксперта по электронике Hilbert Moore и нескольких техников. Он переехал со своей семьей в Summit, New Jersey.
Задачей группы было найти альтернативу твёрдого тела хрупким стеклянным усилителям вакуумных ламп. Их первые попытки были основаны на идеях Shockley об использовании внешнего электрического поля на полупроводнике для влияния на его проводимость. Эти эксперименты таинственным образом каждый раз не удавались во всевозможных конфигурациях и материалах. Группа находилась в застое, пока Bardeen не предложил теорию, которая привлекала поверхностные состояния, препятствующие проникновению поля в полупроводник. Группа изменила свой фокус на изучение этих поверхностных состояний, и они встречались почти ежедневно для обсуждения работы. Отношения в группе были отличными, и идеи свободно обменивались. К зиме 1946 года у них было достаточно результатов, чтобы Bardeen отправил статью о поверхностных состояниях в Physical Review. Brattain начал эксперименты по изучению поверхностных состояний путём наблюдений, сделанных при освещении поверхности полупроводника ярким светом. Это привело к нескольким дополнительным статьям, одна из которых была соавторством с Shockley, которая оценила плотность поверхностных состояний как более чем достаточную для объяснения их неудавшихся экспериментов. Темп работы значительно ускорился, когда они начали окружать точечные контакты между полупроводником и проводящими проводами электролитами. Moore построил схему, которая позволила им легко варьировать частоту входного сигнала, и предложил использовать глицолборат gu, вязкое химическое вещество, которое не испарялось. Наконец, они начали получать некоторые свидетельства усиления мощности, когда Pearson, действуя по предложению Shockley, приложил напряжение к капле gu, размещённой на p–n переходе.
Изобретение транзистора
23 декабря 1947 года Bardeen и Brattain работали без Shockley, когда им удалось создать точечный контактный транзистор, обеспечивающий усиление. К следующему месяцу адвокаты Bell Labs начали работать над патентными заявками.
Адвокаты Bell Labs вскоре обнаружили, что принцип полевого эффекта Shockley был предвосхищен и запатентован в 1930 году Julius Lilienfeld, который подал свой патент, похожий на MESFET, в Canada 22 октября 1925 года.
Shockley публично взял львиную долю заслуги за изобретение транзистора; это привело к ухудшению отношений Bardeen с Shockley. Однако руководство Bell Labs постоянно представляло всех трёх изобретателей как команду. Shockley в конце концов разозлился и отчуждал Bardeen и Brattain, и он по сути заблокировал их от работы над переходным транзистором. Bardeen начал разрабатывать теорию сверхпроводимости и покинул Bell Labs в 1951 году. Brattain отказался дальше работать с Shockley и был назначен в другую группу. Ни Bardeen, ни Brattain не имели большого отношения к разработке транзистора после первого года его изобретения.
«Транзистор» — портманто из слов «трансконодактанс» и «резистор» — был в 50 раз меньше вакуумных ламп, которые он заменял в телевизорах и радиоприёмниках, потреблял гораздо меньше энергии, был гораздо более надёжен, и это позволило электрическим устройствам стать более компактными.
Университет Illinois в Urbana–Champaign
К 1951 году Bardeen искал новую работу. Fred Seitz, друг Bardeen, убедил Университет Illinois в Urbana–Champaign сделать Bardeen предложение в размере 10 000 долларов в год. Bardeen принял предложение и покинул Bell Labs. Он присоединился к факультетам инженерии и физики Университета Illinois в Urbana–Champaign в 1951 году. Он был профессором электротехники и физики в Illinois. Его аспирант Nick Holonyak в 1954 году изобрёл LED в 1962 году.
В Illinois он учредил две крупные исследовательские программы: одну в отделе электротехники и одну в отделе физики. Исследовательская программа в отделе электротехники занималась как экспериментальными, так и теоретическими аспектами полупроводников, а исследовательская программа в отделе физики занималась теоретическими аспектами макроскопических квантовых систем, в частности сверхпроводимостью и квантовыми жидкостями.
Он был активным профессором в Illinois с 1951 по 1975 год, а затем стал профессором-эмеритом. В позднюю жизнь Bardeen остался активным в академических исследованиях, в течение которого он сосредоточился на понимании потока электронов в волнах плотности заряда (ВПЗ) через металлические линейные цепные соединения. Его предложения о том, что транспорт электронов ВПЗ является коллективным квантовым явлением, см. Макроскопические квантовые явления, первоначально были встречены со скептицизмом. Однако эксперименты, о которых сообщалось в 2012 году, показали колебания тока ВПЗ в сравнении с магнитным потоком через кольца дисульфида тантала, похожие на поведение устройств квантовой интерференции сверхпроводящего, см. SQUID и эффект Aharonov–Bohm, придавая достоверность идее о том, что коллективный транспорт электронов ВПЗ в фундаментальном отношении является квантовым по природе. Смотрите квантовую механику. Bardeen продолжал свои исследования в течение 1980-х годов и публиковал статьи в Physical Review Letters и Physics Today менее чем за год до своей смерти.
Нобелевская премия по физике в 1956 году
В 1956 году John Bardeen разделил Нобелевскую премию по физике с William Shockley из Semiconductor Laboratory компании Beckman Instruments и Walter Brattain из Bell Telephone Laboratories «за их исследования полупроводников и их открытие эффекта транзистора».
На церемонии вручения Нобелевской премии в Stockholm Brattain и Shockley получили свои награды в ту ночь от King Gustaf VI Adolf. Bardeen привёл только одного из своих трёх детей на церемонию вручения Нобелевской премии. King Gustav упрекнул Bardeen за это, и Bardeen заверил короля, что в следующий раз он принесёт всех своих детей на церемонию. Он сдержал своё слово.
Теория BCS
В 1957 году Bardeen, в сотрудничестве с Leon Cooper и его аспирантом John Robert Schrieffer, предложил стандартную теорию сверхпроводимости, известную как теория BCS, названную по их инициалам.
Нобелевская премия по физике в 1972 году
В 1972 году Bardeen разделил Нобелевскую премию по физике с Leon N Cooper из Brown University и John Robert Schrieffer из Университета Pennsylvania «за их совместно разработанную теорию сверхпроводимости, обычно называемую теорией BCS». Это была вторая Нобелевская премия по физике для Bardeen. Он стал первым человеком, получившим две Нобелевские премии в одной области. Только трое других когда-либо получали более одной Нобелевской премии.
Bardeen принёс своих трёх детей на церемонию вручения Нобелевской премии в Stockholm. Bardeen отдал большую часть денег своей Нобелевской премии на финансирование Fritz London Memorial Lectures в Duke University.
Другие награды
Помимо двукратного получения Нобелевской премии, Bardeen имеет многочисленные другие награды, в том числе:
- 1952 Medal Stuart Ballantine Institute Franklin.
- 1959 избран Членом Американской академии искусств и наук
- 1965 Национальная медаль за науку.
- 1971 IEEE Medal of Honor за «его глубокий вклад в понимание проводимости твёрдых тел, изобретение транзистора и микроскопическую теорию сверхпроводимости».
- Избран иностранным членом Royal Society ForMemRS в 1973 году.
- 1975 Franklin Medal.
- 10 января 1977 года John Bardeen был награжден Presidential Medal of Freedom президентом Gerald Ford. Он был представлен на церемонии своим сыном, William Bardeen.
- Bardeen был одним из 11 получателей Third Century Award от президента George H. W. Bush в 1990 году за «исключительный вклад в американское общество» и был награждён золотой медалью Академии наук Soviet в 1988 году.
- 1987 Golden Plate Award Американской академии достижений
Xerox
Bardeen также был важным советником Xerox Corporation. Хотя по природе тихий, он предпринял нехарактерный шаг, побуждая руководителей Xerox сохранять свой исследовательский центр в California, Xerox PARC, плавучим, когда материнская компания подозревала, что её исследовательский центр не будет иметь никакого значения.
Личная жизнь
Bardeen женился на Jane Maxwell 18 июля 1938 года. Будучи в Princeton, он встретил Jane во время визита к его старым друзьям в Pittsburgh.
Bardeen был учёным с очень скромной личностью. Хотя он служил профессором почти 40 лет в Университете Illinois, его лучше всего помнили соседи за то, что он устраивал барбекю, на которых готовил еду для своих друзей, многие из которых не знали о его достижениях в университете. Он всегда спрашивал своих гостей, нравится ли им булочка для гамбургера подрумяненной, поскольку ему нравилась таким образом. Он любил играть в гольф и ходить на пикники со своей семьей. Lillian Hoddeson, историк из Университета Illinois, который написал книгу о Bardeen, сказала, что потому что он «радикально отличался от популярного стереотипа «гения» и
