Нобелови лауреати – 1956 година (1972 година)

Джон Бардийн (John Bardeen)

23 май 1908 г. – 30 януари 1991 г.

Нобелова награда за физика, 1956 г. (заедно с Уилям Б. Шокли и Уолтър Братейн)

Нобелова награда за физика, 1972 г. (заедно с Лион Купър и Джон Робърт Шрифър)

(1956 г.: За изследването на полупроводниците и откриването на транзисторния ефект.)

(1972 г.: За създаване на теорията за свръхпроводимостта, обикновено наричана БКШ-теория.)

Американският физик и електроинженер Джон Бардийн е роден в град Медисън (щат Уисконсин) в семейството на Чарлз Р. Бардийн, професор по анатомия и декан на медицинското училище към Уисконсинския университет, и Алтея (Хармър) Бардийн. След смъртта на майка му през 1920 г. баща му се жени за Рут Хеймс. Бардийн има двама братя, една сестра и една доведена сестра.

Бардийн посещава началното училище в Медисън, като прескача четвърти, пети и шести клас, след това постъпва в университетското средно училище, мести се оттам в медисънското централно средно училище, което завършва през 1923 г. Въпреки врадения си порок - тремор на ръцете, той е в младежките си години шампион по плуване и умел играч на билярд.

В Уисконсинския университет Бардийн получава степента бакалавър по електротехника през 1928 г., изучавайки извън профила си физика и математика. Още като студент в горните курсове той работи в инженерния отдел на „Уестърн електрик къмпани“ (отделът влиза по-късно в системата от лаборатории на компанията „Бел“). През 1929 г. Бардийн получава степента магистър по електротехника в Уисконсинския университет, като прави изследвания по приложна геофизика и излъчване на антените. През следващата година той отива заедно с един от своите ръководители, американския геофизик Лео Г. Питърс, в Питсбърг (щат Пенсилвания), където в компанията „Гълф рисърч“ разработват нова методика, позволяваща, след като се проучат картите на гравитационното и магнитното напрежение, да се определи вероятното разположение на нефтените находища.

През 1933 г. Бардийн постъпва в Пистънския университет, където учи математика и физика под ръководството на Юджин Уигнър. Той съсредоточава вниманието си върху прилагането на квантовата теория към физиката на твърдото тяло. По това време квантовата механика описва доста успешно поведението на индивидуалните атоми и на частиците в атомите. Твърдите тела се подчиняват на същите квантово-механични закони, но понеже микроскопичното тяло се състои от голям брой атоми, задачата за анализиране на неговите свойства е значително по-сложна. Бардийн получава докторска степен в Принстън през 1936 г. за дисертацията си, посветена на силите на привличане, задържащи електроните вътре в метала. Преди да завърши своята дисертация той приема предложението да стане след защитата ѝ временен научен сътрудник в Харвардския университет, какъвто остава до 1938 г. В Харвард Бардийн работи с Джон ван Флек и П. У. Бриджман над проблема за атомната връзка и електрическата проводимост в металите.

Когато уговореното време свършва, Бардийн става асистент-професор в Масачузетския университет, където продължава своите изследвания за поведението на електроните в металите. Между 1941 и 1945 г. служи като цивилен физик във военноморската артилерийска лаборатория във Вашингтон (окръг Колумбия), изучавайки магнитните полета на корабите - важен по това време въпрос, като се има предвид приложението му при торпедата и при откриването на мини.

През 1945 г. Бардийн отива в компанията „Бел“, където - работейки заедно с Уилям Шокли и Уолтър Братейн, успява да създаде полупроводникови прибори, които могат както да изправят, така и да усилват електрическите сигнали. Полупроводниците като германий и силиций са материали, чието електрическо съпротивление се намира между съпротивлението на металите и изолаторите.

В процеса на тази работа Шокли се опитва да изготви това, което днес се нарича полеви транзистор. В такъв прибор електрическото поле, индуцирано от напрежението, приложено към полупроводника, трябва да влияе върху движението на електроните в материала. Шокли се надява да използва електрическото поле за управление на свободните електрони в един от участъците на полупроводника и така да модулира тока, протичащ през прибора. Освен това транзисторът трябва да има потенциалната възможност да стане усилвател, защото слабият сигнал (приложеното напрежение) може да предизвика силно изменение на тока, течащ през полупроводника.

Всички опити за получаване на прибор, като се следва посочения план, завършват с неуспех. Тогава Бардийн предлага, че външното напрежение не създава в полупроводника желаното поле заради електроните, намиращи се по неговата повърхност. В процеса на по-нататъшните изследвания става ясно, че свойствата на прибора зависят от осветеността, температурата и повърхността и се променят при контакт с течности или при покриване на полупроводника с тънък металически слой. През 1947 г., когато групата опознава напълно повърхностните свойства на полупроводниците, Бардийн и Братейн създават първите работещи транзистори.

Най-напред есъздаден транзисторът с точков контакт, направен от парче германий. За точкови контакти служат две тънки метални спирали, наречени емитер и колектор и прикрепени към горната част на парчето германий; третият контакт, наречен база, е свързан с долната част. За управление на тока между емитера и колектора се използва слаб ток, протичащ между емитера и базата. Тази идея заменя първоначалната идея за управление с помощта на външно електрическо поле. В по-късния вариант, наречен плоскостен триод, точковите контакти са премахнати, а емитерът и колекторът са съставени от полупроводникови материали, в които е добавено малко количество специални примеси. Полевите транзистори не намират практическо приложение, докато германият не е заменен със силиций като основен материал.

Подобно на радиолампите транзисторът позволява с помощта на слаб сигнал (напрежение за лампата, ток за транзистора) в един контур да се управлява относително силен ток в друг контур. Благодарение на малкия си размер, простата си структура, ниските енергетични потребности и неголямата си стойност транзисторите заменят бързо електронните лампи във всички радиотехнически прибори с изключение на устройствата с висока мощност, използвани например в радиопредаването или в промишлените радиочестотни нагревателни прибори. Днес във всички високоскоростни радиотехнически устройства, а също така в много мощни високочестотни прибори, където може без електронни лампи, обикновено се използват биполярни транзистори. Усъвършенстването на технологията прави възможно създаването на много транзистори от дребни късчета силиций, способни да изпълняват по-сложни функции. Броят на транзисторите в едно подобно късче нараства от 10 до 1 милион, по-специално заради намаляването нар азмерите на съединенията и на транзисторите до величина от половин микрон до няколко микрона (микронът е равен на 0,001 мм). Подобни късчета силиций позволяват да се изграждат съвременните компютри, средствата за връзка и управление, като технологията продължава бързо да се развива.

През 1931 г. Бардийн напуска телефонната компания „Бел“ и приема предложението да заеме едновременно два поста: на професор по електротехника и на професор по физика в Илинойския университет. Там се възобновява сериозният му интерес към темата, с която се занимава в аспирантските си години и която е прекъсната от Първата световна война - свръхпроводимостта и свойствата на материята при свръхниски температури.

Свръхпроводимостта е открита през 1911 г. от холанддския физик Хейке Камерлинг Онес, който забелязва, че някои метали губят напълно съпротивлението си към електрическия ток при температури, няколко градуса по-високи от абсолютната нула. Електрическият ток е поток от поток от електрони, движещи се в определена посока.

В металите много електрони са толкова слабо свързани със своите атоми, че електрическото поле, възникващо при приложено външно напрежение, ги заставя да се движат по посока на полето. Но електроните се колебаят също така в случайни направления поради наличието на топлина. Това разсеяно движение служи за противодействие (съпротивление) на потока електрони под влияние на полето. Когато поради охлаждане топлинното движение намалява, съпротивлението също намалява. При абсолютна нула, когато топлинното движение изчезва напълно, може да се очаква, че съпротивлението също ще изчезне напълно. Но абсолютната нула е практически недостижима. Удивително при свръхпроводимостта е това, че съпротивлението се губи при температури малко над абсолютната нула, когато все още има топлинно движение. Но по това време явлението не може да бъде обяснено удовлетворително.

Оказва се, че свръхпроводниците имат още една необичайна характеристика, открита през 1933 г. от немския физик Валтер Майснер. Той забелязва, че те са диамагнетици, иначе казано - спират проникването на магнитно поле в метала. Парамагнитните материали, сред които са обикновените магнитни метали като желязото, повече или по-малко се поддават на намагнитване от страна на близко разположен магнит. Тъй като магнитното поле на магнита индуцира поле с противоположно направление в парамагнитното тяло, това тяло се привлича от магнита. Но понеже диамагнитното тяло противодейства на магнитното поле, това тяло и магнитът се отблъскват взаимно, независимо от това кой полюс на магнита доближаваме до него. Магнитът, разположен над свръхпроводник, ще лежи „върху възглавница от магнитно отблъскване“. Но ако приложеното магнитно поле е достатъчно голямо, свръхпроводникът губи своите свойства и придобива поведението на обикновен метал. През 1935 г. немският физик Фриц Лондон изказва предположението, че диамагнетизмът е фундаментално свойство на свръхпроводниците и че свръхпроводимостта е по всяка вероятност квантов ефект, проявяващ се по някакъв начин в цялото тяло.

Признаци за това, че Фриц Лондон е на прав път, се появяват през 1950 г. Няколко американски физици откриват, че различните изотопи на един и същи метал стават свръхпроводими при различни температури и че критичната температура е обратно пропорционална на атомната маса. Изотопите са форми на елемента, които имат еднакъв брой протони в своите ядра (и следователно еднакъв брой обикалящи ядрото електрони) и които са подобни химически, но ядрата им съдържат различен брой неутрони и следователно имат различни маси. Бардийн знае, че единственото влияние на различните атомни маси върху свойствата на твърдото тяло се проявява при разлики в разпространението на колебанията вътре в тялото. Затова предполага, че в свръхпроводимостта на метала участва взаимодействието между подвижните електрони (които са относително свободни, така че могат да се движат във вид на електрически ток) и колебанията на атомите на метала и че като резултат от това взаимодействие се създава връзка между електроните.

Към изследванията на Бардийн се присъединяват по-късно двама негови студенти от Илинойския университет - Лион Н. Купър, който е защитил вече докторската си дисертация, и Джон Робърт Шрифър, аспирант. През 1956 г. Купър доказва, че електронът (който има отрицателен заряд), движещ се през регулярна структура (решетка) на металически кристал, привлича най-близките положително заредени атоми, деформирайки леко решетката и създавайки кратковременно увеличаване на концентрацията на положителния заряд. Тази концентрация на положителния заряд на свой ред привлича втори електрон и двата електрона образуват двойка електрони, свързани помежду си благодарение на изкривяването на кристалната решетка. Така много електрони в метала се обединяват по два, образувайки двойки на Купър.

Бардийн и Шрифър се опитват да обяснят с помощта на концепцията на Купър поведението на обширната популация свободни електрони в свръхпроводящия метал, но постигат неуспех. Когато Бардийн отива през 1956 г. в Стокхолм да получи Нобеловата си награда за откриването на транзисторния ефект, Шрифър е готов вече да признае своето поражение, но напътствията на Бардийм го подтикват и той успява да развие все пак статистическите методи, необходими за решаването на проблема.

След това Бардийн, Купър и Шрифър успяват да докажат, че двойките на Купър, взаимодействайки помежду си, карат много свободни електрони в свръхпроводника да се движат заедно, в един поток. Както предполага Фриц Лондон, свръхпроводимите електрони образуват единно квантово състояние, обхващащо цялото метално тяло. Критичната температура, при която възниква свръхпроводимост, определя степента на намаляване на температурните колебания, при която влиянието на двойките на Купър върху координацията на движението на свободните електрони става доминиращо. Тъй като появата на съпротивление при отделяне даже на един електрон от общия поток ще повлияе непременно на другите електрони, участващи в свръхпроводимостта, и с това ще наруши единството на квантовото състояние, подобно смущение е много малко вероятно. Затова свръхпроводящите електрони се движат заедно, без загуба на енергия.

Достижението на Бардийн, Купър и Шрифър е наречено едно от най-важните в теоретичната физика след създаването на квантовата теория. През 1958 г. с помощта на своята теория те предсказват свръхфлуидността (липсата на вискозитет и повърхностно напрежение) на течния хелий-3 (изотоп на хелия, чието ядро съдържа два протона и един неутрон) близо до абсолютната нула, което се потвърждава експериментално през 1962 г. Свръхфлуидност се наблюдава преди това при хелий-4 (най-разпространения изотоп с един допълнителен неутрон) и се смята, че тя е невъзможна за изотопи с нечетен брой ядрени частици.

Теорията БКШ (на Бардийн, Купър и Шрифър) довежда до далече стигащи последици в технологиите. Създаването на материали, които стават свръхпроводими при по-високи температури и издържат на силни магнитни полета, позволява да се конструират изключително мощни електромагнити с малки размери и изискващи малко енергия. Магнитното поле, създавано от електромагнита, е свързано пряко с тока в неговите намотки. За обикновения проводник наличието на съпротивление е сериозно ограничение, защото отделяната топлина е пропорционална на съпротивлението и на квадрата на силата на тока. Въпросът не е само в това, че за топлинни загуби се изразходва скъпо струваща енергия, но и че също така се износва материалът. Свръхпроводящите магнити се използват при ядрения синтез, в магнитната хидродинамика, в ускорителите на частици с висока енергия, при влаковете, които се движат без триене на магнитна възглавница над релсите, при биологичните изследвания, при физическите изследвания на взаимодействията на атомите и електроните със силни магнитни полета и при конструирането на компактни мощни електрически генератори. Английският физик Брайън Д. Джоузефсън открива, че когато се свържат при определени условия сврахпроводници, възниква така нареченият свръхток (ефект на Джоузефсън), чувствителен към магнитното поле. Датчиците, основаващи се на ефекта на Джоузефсън, могат да определят най-малките промени на магнитната активност в живите организми и помагат да се откриват местонахожденията на полезни изкопаеми и нефт по техните магнитни свойства.

През 1959 г. Бардийн започва работа в Центъра за фундаментални изследвания на Илинайския университет, продължавайки своите търсения в областта на физиката на твърдото тяло и физиката на ниските температури. През 1975 г. той става почетен професор в оставка.

Бардийн се жени за Джшейн Максуел през 1938 г.; семейството има син и дъщеря. В свободното си време той обича да пътешества и да играе голф.

Сред многобройните награди на Бардийн са медалът Стюарт Балантайн на Франклиновия институт (1952 г.), наградата Джон Скот на град Филаделфия (1955 г.), наградата за физика на твърдото тяло Оливър Бъкли на Американското физическо дружество (1964 г.), националната награда „За научни достижения“ на Националния научен фонд (1965 г.), почетния медал на Института на инженерите по електротехника и електроника (1971 г.) и президентския медал Свобода на правителството на Съединените щати (1977 г.). В продължение на много години Бардийн е съиздател на списание „Physical Review“. Той е член на американската Национална академия на науките и на Американската академия на науките и изкуствата, избран е за член на Американското физическо дружество.

Превод от руски: Павел Б. Николов