John Bardeen [SYLWETKA NAUKOWCA]

Po II wojnie światowej John Bardeen pracował w firmie Bell Laboratories, gdzie wraz z kolegami wynalazł tranzystor, który niemal z miejsca stał się podstawowym składnikiem urządzeń elektronicznych. 

John Bardeen urodził się 23 maja 1908 roku w Madison w stanie Wisconsin. Ojciec Johna, Charles Rusell Bardeen, był profesorem anatomii i dziekanem Medical School na University of Wisconsin. Matka, Atlhea Harmer Bardeen, nauczycielką i artystką.

John uczył się celująco. Szkoła co rusz przenosiła go do wyższej klasy. Zaczął studiować, mając 17 lat. W 1936 roku uzyskał doktorat na uniwersytecie w Princeton.

Półprzewodniki

Druga wojna światowa rozpoczęła dominacją polityczną i gospodarczą Stanów Zjednoczonych na świecie. Naukowcy z trybu wojennego przestawili się na doskonalenie wynalazków, które mogą mieć zastosowanie nie tylko w armii. Uczeni z Bell Laboratories mieli nadzieję, że uda się im zastąpić lampy elektronowe półprzewodnikami.

Układy lampowe (próżniowe) pozwalają łatwo i szybko regulować przepływ prądu elektrycznego. Stosowano je wówczas powszechnie w urządzeniach radiowych i pierwszych komputerach.

Zajmują natomiast dużo miejsca, więc nie miałyby zastosowania w małych urządzeniach. 

Bardeen po wojnie pracował w Bell pod kierownictwem Williama Shockleya w zespole wraz z Walterem. Brattainem. Doprowadzili do skonstruowania pierwszego niezawodnego półprzewodnika.

William Shockley (siedzi), John Bardeen (z lewej) i Walter Brattain w laboratorium Bell, lipiec 1948, źródło: flickr.com

Stał się on znany jako tranzystor bipolarny (złączowy) i składał się z trzech naprzemiennych warstw półprzewodników typu n i typu p. Półprzewodnik typu n jest tworzony przez dodanie pierwiastka z nadmiarem elektronów,  na przykład fosfor to częsta domieszka do krzemu. Z kolei półprzewodnik typu p jest tworzony przez dodanie domieszki z deficytem elektronów, na przykład bor. W wyniku półprzewodnik typu n ma nadmiarowe elektrony, a półprzewodnik typu p można traktować jako posiadacza dodatnio naładowanych „dziur”.

Urządzenie pozwalało, aby niewielki prąd elektryczny zastosowany w środkowej warstwie sterował znacznie większym prądem płynącym między warstwami zewnętrznymi. Nastąpił przełom w stosunku do zastosowania dużych lamp.

Kiedy wprowadza się małą zmianę napięcia przyłożonego do centralnej części urządzenia, to spowoduje ona dużą zmianę prądu płynącego między dwiema zewnętrznymi częściami. Tak pracuje na przykład gramofon. Mały sygnał elektryczny z igły tranzystor przekształca na duży idący z głośników.

Półprzewodniki są małe, tanie i bardziej niezawodne niż lampy, a wykorzystywany do ich produkcji krzem jest drugim pod względem występowania pierwiastkiem na Ziemi.

Tranzystory doprowadziły do miniaturyzacji odbiorników radiowych, telewizyjnych, a w końcu komputerów. 

W 1958 roku amerykańscy inżynierowie Jack Kilby i Robert Noyce wynaleźli mikroprocesor półprzewodnikowy, czyli kość krzemową, która zrewolucjonizowała technikę, upowszechniając ją i wciąż zmniejszając sprzęty domowe i prifesjonalne. Dostępne są tranzystory liczące mniej niż 10 nanometrów. Poniżej 5 wchodzimy w zakres fizyki kwantowej.

Bez tranzystorów dzisiejsze komputery nadal miałby wielkość szaf lub regałów, jak ich pierwsze modele.

W 1956 r. Bardeen wraz z zespołem otrzymali Nagrodę Nobla za badania i stworzenie półprzewodnika.

Nadprzewodniki

Holdenderski fizyk Heike Kamerlingh-Onnes odkrył w 1911 roku, że w bardzo niskiej temperaturze nagle znika opór elektryczny rtęci. Okazało się, że tak samo zachowuje wiele metali i innych związków, jednak długo nie udało się wyjaśnić przyczyny tego zjawiska. Kamerlimgh słusznie przypuszczał, że wyjaśnienie zagadki leży w fizyce kwantowwej. Jednak przez 40 lat nie zdołano tego uczynić.

W 1951 roku Bardeen odszedł z Bella na emeryturę. Zaczął pracować jako profesor emerytowany na Uniwersytecie Illinois.

Rok wcześniej odkryto klucz do zagadki nadprzewodnictwa. Wykryto mianowicie, że izotopy tego samego pierwiastka stają się nadprzewodnikami w różnych temperaturach. Nasunęło to przypuszczenie, że nadprzewodnictwo jest skutkiem jakiegoś oddziaływania między elektronami a siecią krystaliczną.

Teoria BCS ogłoszona w 1957 r. jako ogólna teoria nadprzewodnictwa (nazwa pochodzi od nazwisk odkrywców Bardeena, Leona Coopera, Johna Schrieffera) wyjaśnia nadprzewodnictwo jako skutek  oddziaływania między elektronami a fononami, czyli drganiem sieci krystalicznej metalu. Fonony zaburzają ruch elektronów i tym samym przyczyniają się do zwiększenia oporu elektrycznego przewodnika. W niskich temperaturach drgania są znacznie osłabione, a jednocześnie oddziaływania z siecią powodują powstawania par elektronów o przeciwstawnych spinach. Gdy do przewodnika przyłożone jest napięcie, pary elektronów poruszają się z taką samą prędkością, nie napotykając na żaden opór.

Teoria porażała, nie tylko Nielsa Bohra, swoją prostotą. Szybko została przyjęta, a zespół dostał w 1972 nagrodę Nobla. Bardeen jest pierwszym naukowcem, który dwukrotnie otrzymał Nobla w tej samej dziedzinie.

Nadprzewodnictwo nie znalazło od razu praktycznego działania, ponieważ wymaga schłodzenia przewodnika do bardzo niskiej temperatury. Dlatego uczeni zajęli się poszukiwaniem materiałów wykazujących się brakiem rezystancji w wyższych temperaturach.

Dziś najwyższą temperaturą materiał, który wykazuje właściwości nadprzewodnictwa jest -146 stopni Celsjusza. 

Nadprzewodnictwo wykorzystuje się w transporcie, medycynie i badaniach naukowych.

Wynalezienie materiału nadprzewodzącego w temperaturze pokojowej zrewolucjonizowałoby ponownie, jak półprzewodniki, całą światową gospodarkę. Doprowadziłoby na przykład do gigantycznej obniżki redukcji CO2. Wytwarzanie prądu stałoby się bardziej efektywne.

Bardeen był żonaty z Jane Maxwell. Miał z nią córkę i dwóch synów. Obaj zostali fizykami.

Bardeen zmarł na atak serca 30 stycznia 1991 roku.

Opracowano na podstawie:

– 100 najwybitniejszych uczonych wszech czasów, John Simmons, Świat Książki, 1997

– Nauki ścisłe,  50 idei, które powinieneś znać, PWN, 2021

Foto: William Shockley (siedzi), John Bardeen (z lewej) i Walter Brattain w laboratorium Bell, lipiec 1948, źródło: flickr.com