Джон Бардин

Джон Бардин — американский физик, единственный учёный в истории, дважды удостоенный Нобелевской премии по физике (1956, 1972). Первую премию он получил совместно с Уильямом Шокли и Уолтером Браттейном за изобретение транзистора, вторую — совместно с Леоном Купером и Джоном Шриффером за создание микроскопической теории сверхпроводимости (теория БКШ). Бардин также внёс значительный вклад в физику твёрдого тела, квантовую теорию и физику низких температур.

Биография

Ранние годы и образование

Джон Бардин родился 23 мая 1908 года в городе Мэдисон, штат Висконсин (США). Его отец, Чарльз Бардин, был профессором анатомии в Висконсинском университете, мать, Элси Харбер, — художницей и педагогом. Семья поощряла интеллектуальное развитие детей; Джон рано проявил способности к математике и естественным наукам.

В 1923 году он поступил в Висконсинский университет в Мэдисоне, где изучал электротехнику. В 1928 году получил степень бакалавра, а в 1929 году — магистра. Его дипломная работа была посвящена теории электрических фильтров. После окончания университета Бардин работал в исследовательской лаборатории компании Gulf Research and Development Corporation в Питтсбурге, где занимался геофизическими методами разведки нефти.

В 1933 году он поступил в аспирантуру Принстонского университета, где под руководством Юджина Вигнера начал заниматься теоретической физикой. Докторская диссертация (1936) была посвящена теории электронных состояний в металлах. После защиты Бардин получил стипендию для постдокторантуры в Гарвардском университете, где работал с Джоном Ван Флеком.

Научная карьера

С 1938 по 1941 год Бардин преподавал в Миннесотском университете. В 1941 году, с началом Второй мировой войны, он перешёл в Военно-морскую артиллерийскую лабораторию (Naval Ordnance Laboratory) в Вашингтоне, где занимался разработкой методов защиты кораблей от магнитных мин. После войны, в 1945 году, он присоединился к исследовательской группе в Bell Laboratories, где уже работали Уильям Шокли и Уолтер Браттейн.

В 1951 году Бардин покинул Bell Laboratories и стал профессором физики и электротехники в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн. Здесь он основал группу по физике твёрдого тела и продолжил исследования, которые привели к созданию теории сверхпроводимости. В 1975 году он вышел на пенсию, но продолжал активную научную и преподавательскую деятельность.

Джон Бардин скончался 30 января 1991 года в Бостоне (штат Массачусетс) в возрасте 82 лет.

Основные научные достижения

Изобретение транзистора

В конце 1940-х годов в Bell Laboratories велись интенсивные исследования полупроводников. Уильям Шокли ставил задачу создать твердотельный усилитель, альтернативный вакуумным лампам. В 1947 году Джон Бардин и Уолтер Браттейн, экспериментируя с германиевыми кристаллами, обнаружили эффект усиления электрического сигнала. Они создали первый точечный транзистор — устройство с двумя металлическими контактами, прижатыми к поверхности полупроводника. 23 декабря 1947 года было продемонстрировано его работоспособность. Это событие считается днём рождения транзистора.

За изобретение транзистора Бардин, Браттейн и Шокли в 1956 году были удостоены Нобелевской премии по физике. Транзистор стал основой всей современной электроники: от микропроцессоров до мобильных телефонов.

Теория сверхпроводимости (БКШ)

Сверхпроводимость — явление полного исчезновения электрического сопротивления в некоторых материалах при низких температурах — была открыта в 1911 году Хейке Камерлинг-Оннесом, но её микроскопическая природа оставалась необъяснённой десятилетиями. В 1950-х годах Бардин, совместно с Леоном Купером и Джоном Шриффером, разработал теорию, объясняющую это явление.

Ключевая идея теории БКШ (названной по первым буквам фамилий авторов) заключается в том, что электроны в сверхпроводнике образуют связанные пары (куперовские пары) благодаря взаимодействию с колебаниями кристаллической решётки (фононами). Эти пары ведут себя как бозоны и могут конденсироваться в единое квантовое состояние, которое не рассеивается на дефектах решётки, что и приводит к отсутствию сопротивления. Теория БКШ, опубликованная в 1957 году, предсказала ряд свойств сверхпроводников, включая существование энергетической щели и зависимость критической температуры от изотопного состава. За эту работу Бардин, Купер и Шриффер получили Нобелевскую премию по физике в 1972 году.

Другие работы

Помимо транзистора и теории сверхпроводимости, Бардин внёс вклад в:

• Теорию поверхностных состояний в полупроводниках (уровни Тамма — Шокли — Бардина).
• Теорию электронного переноса в металлах и полупроводниках.
• Разработку теории сверхтекучести жидкого гелия-3 (совместно с другими учёными).
• Исследования в области физики низких температур и квантовой теории поля.

Награды и признание

• Нобелевская премия по физике (1956, 1972) — дважды.
• Медаль Стюарта Баллантайна (1952) — за изобретение транзистора.
• Национальная медаль науки США (1965).
• Медаль почета IEEE (1971).
• Премия Гарольда Пендера (1988).
• Член Национальной академии наук США (с 1954), Американской академии искусств и наук, иностранный член Лондонского королевского общества (1973) и других академий.

Личность и стиль работы

Джон Бардин был известен своей скромностью, сосредоточенностью на научной работе и нежеланием участвовать в публичных спорах. В отличие от многих коллег, он редко давал интервью и не стремился к популярности. Его коллеги отмечали его способность глубоко вникать в суть сложных физических проблем и находить элегантные математические решения. Бардин также был талантливым педагогом: под его руководством защитили диссертации более 30 аспирантов, многие из которых стали ведущими физиками.

Влияние на науку и технику

Изобретение транзистора Джоном Бардином, Уильямом Шокли и Уолтером Браттейном положило начало полупроводниковой революции, которая привела к созданию интегральных схем, микропроцессоров, компьютеров, мобильной связи и интернета. Теория БКШ стала фундаментом для понимания сверхпроводимости и стимулировала поиск материалов с высокой критической температурой (высокотемпературных сверхпроводников), что имеет огромное значение для энергетики, транспорта и медицины.

Источники

• John Bardeen. Nobel Lecture: "Electron-Phonon Interactions and Superconductivity" (1972).
• L. Hoddeson, V. Daitch. "True Genius: The Life and Science of John Bardeen". Joseph Henry Press, 2002.
• M. A. Kastner. "John Bardeen: A Biographical Memoir". National Academy of Sciences, 1991.
• D. Pines. "John Bardeen: The Man and the Scientist". Physics Today, 1991.
• Энциклопедические статьи: Britannica, Encyclopedia of Physics, American Physical Society.