Джон Бардин

Содержание

Содержание

Введение

РАЗДЕЛ 1. Юные годы и образование

РАЗДЕЛ 2. Последующие годы и карьера

2.1 Лаборатория Белла. Транзисторы. Нобелевская премия 1956г.

2.2 Возврат в академические круги

2.2.1 Теория сверхпроводимости

2.2.2 Теория Бардина-Купера-Шриффера. Нобелевская премия 1972г.

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Американский физик и инженер-электрик Джон Бардин (John Bardeen) родился 23 мая 1908 года в г. Мэдисон (штат Висконсин) США. Он был и остается единственным человеком, получившим две нобелевские премии по физике: в 1956 г. за транзистор совместно с Уильямом Брэдфордом Шокли и Уолтером Браттейном и в 1972 г. за основополагающую теорию обычных сверхпроводников совместно с Леоном Нилом Купером и Джоном Робертом Шриффером. Сейчас эта теория называется теорией Бардина-Купера-Шриффера, или просто БКШ-теория.

Среди многочисленных наград Джона Бардина – медаль Стюарта Баллантайна Франклиновского института (1952), премия Джона Скотта г. Филадельфии (1955), премия по физике твердого тела Оливера Бакли Американского физического общества (1954), Национальная медаль «За научные достижения» Национального научного фонда (1965), почетная медаль Института инженеров по электротехнике и электронике (1971) и президентская медаль Свободы правительства Соединенных Штатов (1977). В течение многих лет Б. был соиздателем журнала «Physical Review». Он член американской Национальной академии наук и Американской академии наук и искусств и был избран членом Американского физического общества.

Джон Бардин скончался 30 января 1991 г.

РАЗДЕЛ 1. Юные годы и образование

Джон Бардин родился в Мэдисоне, штат Висконсин, США в семье Чарльза и Алтеи Бардин. Чарльз Бардин был профессором анатомии в университете Висконсина и помогал в основании там медицинской школы. До замужества Алтея преподавала в Лабораторной Школе Дэви и управляла фирмой по внутреннему декорированию. После замужества она стала заметной фигурой в мире искусства.

Бардин посещал начальную школу в Мэдисоне, перескочив через четвертый, пятый и шестой классы, затем поступил в университетскую среднюю школу, перешел из нее в мэдисонскую центральную среднюю школу, которую и окончил в 1923 г. Несмотря на врожденный порок – тремор руки, он в молодости был чемпионом по плаванию и умелым игроком в бильярд.

Математический талант Бардина дал рано о себе знать. Его учитель по математике за седьмой класс побуждал Бардина решать усложнённые задачи и впоследствии Бардин благодарил его за то, что он «первым разбудил его интерес к математике».

Бардин окончил школу в возрасте 15 лет, хотя он мог окончить её ещё несколькими годами ранее. Задержка с окончанием школы была связана с прослушиванием дополнительных дисциплин в другой школе, а также со смертью матери. Он поступил в Висконсинский университет в 1923 г.

В колледже он вступил в братство Зета-Пси. Необходимый вступительный взнос он заработал частично и игрой в бильярд.

В Висконсинском университете Бардин получил степень бакалавра по электротехнике в 1928 г., изучив в качестве непрофилирующих дисциплин физику и математику. Его наставниками в математике были Уоррен Уивер иЭдвард Ван Флек. Главным наставником по физике был Джон Хазбрук Ван Флек, но также большое влияние на него оказывали приходящие учёные, как Поль Дирак, Вернер Гейзенберг и Арнольд Зоммерфельд. Еще студентом старших курсов он работал в инженерном отделе «Вестерн электрик компани» (этот отдел позднее вошел в систему лабораторий компании «Белл»).

В 1929 г. он получил степень магистра по электротехнике в том же Висконсинском университете, проведя исследование по прикладной геофизике и излучению антенн. В следующем году он последовал за одним из своих руководителей, американским геофизиком Лео Дж. Питерсом, в Питсбург (штат Пенсильвания), где в компании «Галф ризерч» они разработали новую методику, позволявшую, анализируя карты гравитационной и магнитной напряженностей, определять вероятное расположение нефтяных месторождений. После того как эта работа перестала интересовать его, он подал заявление и был принят на аспирантскую программу по математике в Принстонском университете.

В 1933 г. Бардин поступил в Принстонский университет, где изучал математику и физику под руководством Юджина Вигнера. Он сосредоточил свое внимание на применении квантовой теории к физике твердого тела. К тому времени квантовая механика довольно успешно описывала поведение индивидуальных атомов и частиц внутри атома. Но, поскольку макроскопическое тело состоит из большого числа атомов, задача анализа его свойств значительно сложнее. Докторскую степень Бардин получил в Принстоне в 1936 г. за диссертацию, посвященную силам притяжения, удерживающим электроны внутри металла. За год до окончания своей диссертации он принял предложение стать на год после защиты временным научным сотрудником Гарвардского университета, каковым и оставался до 1938 г. В Гарварде Бардин работал с Джоном Г. Ван Флеком и П.У. Бриджменом над проблемами атомной связи и электрической проводимости в металлах.

В Принстоне, во время визита к своему старому другу в Питтсбург он встретил Джэйн Максвелл, ставшую его женой.

РАЗДЕЛ 2. Последующие годы и карьера

Осенью 1938 г. Бардин стал ассистент-профессором в Миннесотском университете, где он продолжил свои исследования поведения электронов в металлах. Между 1941 и 1945 гг. он служил гражданским физиком военно-морской артиллерийской лаборатории в Вашингтоне (округ Колумбия), изучая магнитные поля кораблей.

2.1 Лаборатория Белла. Транзисторы. Нобелевская премия 1956 г

В 1945 г. Джон Бардин перешел в компанию «Белл», где, работая совместно с Уильямом Шокли и Уолтером Браттейном, ему удалось создать полупроводниковые приборы, которые могли как выпрямлять, так и усиливать электрические сигналы. Полупроводники, такие, как германий и кремний, – это материалы, чье электрическое сопротивление занимает промежуточное положение между сопротивлениями металла и изолятора.

В процессе этой работы Шокли пытался построить то, что теперь называется полевым транзистором. В таком приборе электрическое поле, индуцированное напряжением, приложенным к полупроводнику, должно было влиять на движение электронов внутри материала. Шокли надеялся использовать электрическое поле, чтобы управлять свободными электронами в одном из участков полупроводника и тем самым модулировать ток, текущий через прибор. Кроме того, транзистор должен был обладать потенциальной возможностью стать усилителем, поскольку небольшой сигнал мог вызвать большие изменения тока, текущего через полупроводник.

Все попытки построить прибор, следуя этому плану, закончились неудачей. Тогда Бардин выдвинул предположение, что внешнее напряжение не создает внутри полупроводника желаемого поля из-за слоя электронов, находящихся на его поверхности. В процессе дальнейших исследований выяснилось, что свойства прибора зависят от освещенности, температуры, поверхности и изменяются при контакте с жидкостями или напылении на полупроводник металлической пленки. В 1947 г., как только группа по-настоящему разобралась в поверхностных свойствах полупроводников, Бардин и Браттейн построили первые работающие транзисторы.

Одним из первых был создан точечно-контактный транзистор, сделанный из одного куска германия. Точечными контактами были два тонких «усика» из металла, названных эмиттером и коллектором и прикрепленных к верхней части германиевого блока; третий контакт, названный базой, был связан с нижней частью блока. Для управления током между эмиттером и коллектором использовался небольшой ток, текущий между эмиттером и базой. Эта идея заменила собой первоначальную идею управления с помощью внешнего электрического поля. В более позднем варианте, названном плоскостным триодом, точечные контакты были удалены, а эмиттер и коллектор были образованы из полупроводниковых материалов, в которые вкраплены небольшие количества специальных примесей. Полевые транзисторы не находили практического применения, пока германий не был заменен кремнием в качестве основного материала.

Подобно радиолампе, транзистор позволяет с помощью небольшого сигнала в одном контуре управлять относительно большим током в другом контуре. Благодаря небольшим размерам, простоте структуры, низким энергетическим потребностям и малой стоимости транзисторы быстро вытеснили электронные лампы во всех радиотехнических приборах, за исключением устройств высокой мощности, используемых, например, в радиовещании или промышленных радиочастотных нагревательных установках. В настоящее время во всех высокоскоростных радиотехнических устройствах, а также во многих мощных высокочастотных установках, где можно обойтись без электронных ламп, обычно используются биполярные транзисторы. Усовершенствование технологии сделало возможным создание многих транзисторов из крохотных кусочков кремния, способных выполнять более сложные функции. Число транзисторов в одном подобном кусочке возросло с 10 до примерно 1 млн., в частности, благодаря уменьшению размеров соединений и самих транзисторов до величины от половины микрона до нескольких микрон (микрон равен 0,001 мм). Такие кусочки позволяют строить современные компьютеры, средства связи и управления, причем технология продолжает быстро развиваться.

Бардин разделил в 1956 г. Нобелевскую премию с Шокли и Браттейном «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». «Транзистор во многом превосходит радиолампы», – отметил Е.Г. Рудберг, член Шведской королевской академии наук, при презентации лауреатов. Указав, что транзисторы значительно меньше электронных ламп и в отличие от последних не нуждаются в электрическом токе для накала нити, Рудберг добавил, что «для акустических приборов, вычислительных машин, телефонных станций и многого другого требуется именно такое устройство».

2.2 Возврат в академические круги

В 1951 г. Бардин покинул телефонную компанию «Белл» и принял предложение занять одновременно два поста: профессора электротехники и профессора физики в Иллинойском университете. Здесь у него возобновился серьезный интерес к теме, которой он занимался в аспирантские годы и которая была прервана второй мировой войной и не возобновлялась им до 1950 г., – проблеме сверхпроводимости и свойств материи при сверхнизких температурах. В 1959 г. Б. начал работать в Центре фундаментальных исследований Иллинойского университета, продолжая свои изыскания в области физики твердого тела и физики низких температур. В 1975 г. он стал почетным профессором в отставке.

2.2.1 Теория сверхпроводимости

Сверхпроводимость была открыта в 1911 г. нидерландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом, который обнаружил, что некоторые металлы совершенно теряют сопротивление к электрическому току при температурах, на несколько градусов превышающих абсолютный нуль. Электрический ток представляет собой поток электронов, движущихся в определенном направлении.

В металлах многие электроны настолько слабо связаны со своими атомами, что электрическое поле, возникающее благодаря приложенному внешнему напряжению, заставляет их перемещаться в направлении поля. Однако электроны также совершают колебания в случайных направлениях из-за наличия тепла. Это рассеянное движение служит причиной противодействия (сопротивления) потоку электронов под влиянием поля. Когда в результате охлаждения тепловое движение уменьшается, то сопротивление тоже уменьшается. При абсолютном нуле, когда тепловое движение совсем прекращается, можно ожидать, что сопротивление совсем исчезнет. Однако абсолютный нуль практически недостижим. Удивительно в сверхпроводимости то, что сопротивление исчезает при температуре, несколько превышающей абсолютный нуль, когда еще имеется тепловое движение. Никакого удовлетворительного объяснения этому найти тогда не удалось.

Оказалось, что сверхпроводники обладают еще одной необычной характеристикой, открытой в 1933 г. немецким физиком Вальтером Мейснером. Он обнаружил, что они являются совершенными диамагнетиками, т.е. препятствуют проникновению внутрь металла магнитного поля. Парамагнитные материалы, среди которых находятся обычные магнитные металлы вроде железа, более или менее поддаются намагничиванию со стороны близко расположенного магнита. Поскольку магнитное поле магнита индуцирует поле противоположной направленности в парамагнитном теле, это тело притягивается к магниту. Но так как диамагнитное тело противодействует магнитному полю, это тело и магнит взаимно отталкиваются, независимо от того, какой именно полюс магнита мы подносим к нему. Магнит, помещенный над сверхпроводником, будет покоиться «на подушке магнитного отталкивания». Однако, если приложенное магнитное поле достаточно велико, сверхпроводник теряет свои свойства и ведет себя подобно обычному металлу. В 1935 г. немецкий физик Фриц Лондон выдвинул предположение, что диамагнетизм является фундаментальным свойством сверхпроводников и что сверхпроводимость, возможно, представляет собой некий квантовый эффект, проявляющийся каким-то образом во всем теле.

2.2.2 Теория Бардина-Купера-Шриффера. Нобелевская премия 1972 г

Признаки того, что Фриц Лондон был на верном пути, появились в 1950 г. Несколько американских физиков обнаружили, что различные изотопы одного и того же металла становятся сверхпроводящими при различных температурах и что критическая температура обратно пропорциональна атомной массе. Изотопы представляют собой формы элемента, имеющие одинаковое число протонов в своих ядрах (и, следовательно, одинаковое число окружающих ядро электронов) и химически подобны друг другу, но их ядра содержат различное число нейтронов и, следовательно, обладают различными массами. Бардин знал, что единственное влияние различных атомных масс на свойства твердого тела проявляется в различиях при распространении колебаний внутри тела. Поэтому он предположил, что в сверхпроводимости металла участвует взаимодействие между подвижными электронами (которые относительно свободны, так что могут двигаться, образуя электрический ток) и колебаниями атомов металла и что в результате этого взаимодействия создается связь электронов друг с другом.