John Bardeen

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科学是一个不断发展、边界不断扩大的领域。

John Bardeen是一位美国物理学家。他是唯一两次获得诺贝尔物理学奖的人:第一次是在1956年与William Shockley和Walter Brattain因晶体管的发明而获奖;第二次是在1972年与Leon N Cooper和John Robert Schrieffer因常规超导电性的基础理论(即BCS理论)而获奖。

晶体管彻底改变了电子工业,使现代几乎所有电子设备的开发成为可能,从电话到计算机,开启了信息时代。Bardeen在超导电性方面的发展——他因此获得了第二个诺贝尔奖——被用于核磁共振波谱NMR和医学磁共振成像MRI。

Bardeen在Wisconsin出生并长大,从Princeton University获得物理学博士学位。在第二次世界大战中服役后,他是Bell Labs的研究人员,以及University of Illinois的教授。1990年,Bardeen出现在《生活》杂志的"世纪百名最具影响力的美国人"名单中。

教育和早年生活

Bardeen于1908年5月23日在Wisconsin的Madison出生。他是Charles Bardeen的儿子,Charles Bardeen是University of Wisconsin医学院的第一任院长。

Bardeen就读于Madison的University High School。他在1923年15岁时从该校毕业。他本可以提前几年毕业,但由于他在另一所高中修课以及母亲去世的原因,毕业被推迟了。他在1923年进入University of Wisconsin。在大学期间,他加入了Zeta Psi兄弟会。他通过打台球来筹集所需的会费。他被Tau Beta Pi工程荣誉协会正式接纳为成员。他选择工程是因为他不想像父亲那样成为学者。他也认为工程有很好的就业前景。

Bardeen在1928年从University of Wisconsin–Madison获得电气工程学士学位。尽管他休了一年在Chicago工作,但他在1928年毕业。他修读了所有他感兴趣的物理和数学研究生课程,在五年而非通常的四年内毕业。这使他有时间完成他的硕士论文,该论文由Leo J. Peters指导。他在1929年从Wisconsin获得电气工程学硕士学位。

Bardeen通过留在Wisconsin继续他的学业,但最终他去Gulf Research Laboratories工作,这是Gulf Oil Corporation的研究部门,总部位于Pittsburgh。从1930年到1933年,Bardeen在那里从事磁性和重力测量解释方法的开发工作。他作为地球物理学家工作。在工作失去他的兴趣后,他申请并被接受为Princeton University数学研究生课程。

作为研究生,Bardeen学习了数学和物理。在物理学家Eugene Wigner的指导下,他最终完成了一篇关于固态物理问题的论文。在完成论文之前,他在1935年获得了Harvard University Society of Fellows的初级研究员职位。他在那里度过了接下来的三年,从1935年到1938年,与将来的诺贝尔物理学奖获得者John Hasbrouck van Vleck和Percy Williams Bridgman合作研究金属中的粘聚和导电问题,还从事了一些关于核能级密度的工作。他在1936年从Princeton获得数学物理博士学位。

职业生涯和研究

第二次世界大战服役

从1941年到1944年,Bardeen在Naval Ordnance Laboratory主持从事磁性地雷和鱼雷以及地雷和鱼雷对抗措施的小组。在此期间,他的妻子Jane生了一个儿子Bill,出生于1941年,一个女儿Betsy,出生于1944年。

Bell Labs

1945年10月,Bardeen在Bell Labs开始工作。他是固态物理小组的成员,由William Shockley和化学家Stanley Morgan领导。小组中的其他人员包括Walter Brattain、物理学家Gerald Pearson、化学家Robert Gibney、电子学专家Hilbert Moore和多名技术人员。他将家人迁至New Jersey的Summit。

John Bardeen、William Shockley和Walter Brattain在Bell Labs,1948年

该小组的任务是为易碎的玻璃真空管放大器寻求固态替代品。他们最初的尝试基于Shockley关于使用外部电场在半导体上影响其导电性的想法。这些实验在各种配置和材料中神秘地一次次失败。小组陷入了困境,直到Bardeen提出了一个涉及表面态的理论,该理论阻止了电场穿透半导体。小组改变了焦点以研究这些表面态,他们几乎每天都聚集在一起讨论工作。小组的融洽气氛很好,想法可以自由交换。到1946年冬天,他们有了足够的结果,Bardeen向《物理评论》提交了一篇关于表面态的论文。Brattain开始进行实验,通过在半导体表面照射明亮光线来研究表面态。这导致了几篇更多的论文,其中一篇与Shockley共同撰写,估计表面态的密度足以解释他们失败的实验。当他们开始用电解质包围半导体和导线之间的点接触时,工作的步伐大大加快。Moore建立了一个电路,允许他们轻松改变输入信号的频率,并建议他们使用硼酸甘油酯gu,一种不会蒸发的粘性化学物质。最后,当Pearson按照Shockley的建议,对放在p-n结上的gu液滴加上电压时,他们开始获得功率放大的一些证据。

晶体管的发明

1947年12月23日,Bardeen和Brattain在没有Shockley的情况下工作时成功创造了一个实现了放大的点接触晶体管。到了下个月,Bell Labs的专利律师开始着手申请专利。

Bell Labs的律师很快发现,Shockley的场效应原理已被Julius Lilienfeld在1930年预期并申请了专利,他在1925年10月22日在加拿大提交了他的类似MESFET的专利。

1947年12月23日在Bell Labs发明的第一个晶体管的风格化复制品

Shockley公开地为晶体管的发明夸大了自己的功劳;这导致了Bardeen与Shockley关系的恶化。但是,Bell Labs的管理层始终将所有三位发明者作为一个团队呈现。Shockley最终激怒并疏远了Bardeen和Brattain,他基本上阻止了两人从事结型晶体管的工作。Bardeen开始追求超导电性理论,并在1951年离开Bell Labs。Brattain拒绝继续与Shockley合作,被分配到另一个小组。在晶体管发明后的第一年之后,Bardeen和Brattain都与晶体管的发展没有多大关系。

"晶体管"这个术语是"跨导"和"电阻"的混成词,体积仅为它在电视和收音机中所替代的真空管的1/50,耗电量少得多,可靠性高得多,并且它使电气设备能够变得更加紧凑。

University of Illinois at Urbana–Champaign

到1951年,Bardeen在寻找新的工作。Bardeen的朋友Fred Seitz说服University of Illinois at Urbana–Champaign向Bardeen提供年薪10,000美元的职位。Bardeen接受了这个提议并离开了Bell Labs。他在1951年加入了University of Illinois at Urbana–Champaign的工程和物理系。他是Illinois的电气工程和物理学教授。他的博士生Nick Holonyak 1954年在1962年发明了LED。

在Illinois,他建立了两个主要研究项目,一个在电气工程系,一个在物理系。电气工程系的研究项目涉及半导体的实验和理论方面,物理系的研究项目涉及宏观量子系统,特别是超导电性和量子液体的理论方面。

纪念John Bardeen和超导电性理论的纪念牌匾,在University of Illinois at Urbana–Champaign

他在1951年至1975年期间是Illinois的活跃教授,随后成为名誉教授。在他晚年,Bardeen继续活跃于学术研究,在此期间他专注于理解电荷密度波CDW在金属线性链化合物中的电子流动。他的建议,即CDW电子传输是一种集体量子现象,最初受到怀疑。但是,2012年报告的实验显示钽三硫化物环中CDW电流对磁通的振荡,类似于超导量子干涉设备的行为,以及Aharonov–Bohm效应,证实了集体CDW电子传输在根本上是量子性质的想法。参见量子力学。Bardeen在整个1980年代继续他的研究,并在去世前不到一年发表了《物理评论快报》和《今日物理》上的文章。

1956年诺贝尔物理学奖

1956年,John Bardeen与Beckman Instruments公司Semiconductor Laboratory的William Shockley和Bell Telephone Laboratories的Walter Brattain共享诺贝尔物理学奖,"因为他们在半导体方面的研究和对晶体管效应的发现"。

在Stockholm的诺贝尔奖颁奖典礼上,Brattain和Shockley在那天晚上从King Gustaf VI Adolf手中领取了他们的奖项。Bardeen只带了他三个孩子中的一个来参加诺贝尔奖颁奖典礼。King Gustav因此责备了Bardeen,Bardeen向国王保证下次他会把他的所有孩子带到典礼上。他信守了诺言。

BCS理论

1957年,Bardeen与Leon Cooper和他的博士生John Robert Schrieffer合作,提出了已知的超导电性标准理论,即BCS理论,命名为他们姓氏首字母的组合。

1972年诺贝尔物理学奖

1972年,Bardeen与Brown University的Leon N Cooper和University of Pennsylvania的John Robert Schrieffer共享诺贝尔物理学奖,"因为他们联合开发的超导电性理论,通常称为BCS理论"。这是Bardeen的第二个诺贝尔物理学奖。他成为了第一个在同一领域赢得两个诺贝尔奖的人。只有三个其他人曾获得过一个以上的诺贝尔奖。

Bardeen在Stockholm的诺贝尔奖颁奖典礼上带了他的三个孩子。Bardeen将他的大部分诺贝尔奖奖金捐赠给Duke University的Fritz London纪念讲座。

其他奖项

除了两次获得诺贝尔奖外,Bardeen还获得了众多其他奖项,包括:

Xerox

Bardeen也是Xerox Corporation的重要顾问。尽管天性沉默,但他采取了不寻常的举措,敦促Xerox高管维持其加州研究中心Xerox PARC的运营,当时母公司对其研究中心是否会有所成就持怀疑态度。

个人生活

Bardeen在1938年7月18日与Jane Maxwell结婚。在Princeton期间,他在对Pittsburgh的老朋友的访问中遇见了Jane。

Bardeen是一位性格非常谦逊的科学家。尽管他在University of Illinois担任教授近40年,但邻居最记得他是因为他举办烧烤聚会,为朋友准备食物,许多朋友都不知道他在大学的成就。他总是问他的客人是否喜欢汉堡包烤过,因为他喜欢这样吃。他喜欢打高尔夫球和与家人一起去野餐。University of Illinois历史学家Lillian Hoddeson撰写了一本关于Bardeen的书,她说由于他"与'天才'的流行刻板印象有根本上的不同,

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