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 dominację polityczną i gospodarczą Stanów Zjednoczonych na świecie. Naukowcy przestawili się z trybu wojennego na doskonalenie wynalazków, które mogłyby mieć zastosowanie nie tylko w armii. Uczeni z Bell Laboratories mieli nadzieję, że uda się im zastąpić lampy elektronowe (próżniowe) półprzewodnikami.
Układy lampowe pozwalają łatwo i szybko regulować przepływ prądu elektrycznego – dzięki temu można na przykład wzmacniać sygnały elektroniczne. Stosowano je wówczas powszechnie w urządzeniach radiowych i pierwszych komputerach.
Zajmują one 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 oni do skonstruowania pierwszego niezawodnego tranzystora. Pierwotne modele były tranzystorami ostrzowymi, ale szybko zostały one zastąpione przez urządzenia bipolarne (zwane także złączowymi lub warstwowymi).
Bardeen po wojnie pracował w Bell pod kierownictwem Williama Shockleya, w zespole wraz z Walterem Brattainem. Doprowadzili oni do skonstruowania pierwszego niezawodnego tranzystora. Pierwotne modele były tranzystorami ostrzowymi, ale szybko zostały one zastąpione przez urządzenia bipolarne (zwane także złączowymi lub warstwowymi). Tranzystor bipolarny składa się z trzech naprzemiennych warstw półprzewodników typu n i typu p. Półprzewodnik typu n jest tworzony przez dodanie pierwiastka z nadmiarem elektronów – na przykład krzem domieszkuje się fosforem. Z kolei półprzewodnik typu p jest tworzony przez dodanie atomów z deficytem elektronów, na przykład boru. W efekcie, półprzewodnik typu n ma nadmiarowe elektrony, a półprzewodnik typu p ma „wolne miejsca na elektrony”, co jest równoważne istnieniu dodatnio naładowanych dziur.
Tranzystor działa w taki sposób, że niewielki prąd elektryczny w jego środkowej części (zwanej bazą) steruje zmianami dużo większego prądu płynącego między warstwami zewnętrznymi. Urządzenie spełnia więc zadania takie same, jak lampa elektronowa zwana triodą, tyle że jest od niej o wiele mniejsze. Mały sygnał przyłożony do bazy „przekształca się” na duży, płynący miedzy zewnętrznymi emiterem i kolektorem. Daje to efekt wzmocnienia sygnału.
W elektronice nastąpił przełom. 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 układ scalony, czyli element wykonany z jednego monokryształu i domieszkowany odpowiednio w wielu miejscach. Taki układ jest odpowiednikiem ogromnej liczby połączonych ze sobą tranzystorów. To kolejny krok milowy w kierunku miniaturyzacji urządzeń elektronicznych, bo zamiast tysięcy pojedynczych tranzystorów mamy jeden element półprzewodnikowy.
Dalszy postęp technologiczny przyniósł następne wynalazki, w tym mikroprocesory, czyli układy scalone wykonujące operacje cyfrowe. Proces miniaturyzacji tranzystorów trwa i wydaje się nie mieć końca, chociaż przy wymiarach rzędu 5 nanometrów (5·10-9 m) wchodzimy już w zakres fizyki kwantowej.
W 1956 r. John Bardeen wraz z zespołem otrzymał Nagrodę Nobla za wynalezienie tranzystora.
Polscy uczniowie też badają własności elementów elektronicznych, chociaż w trochę mniej skomplikowany sposób, niż John Bardeen. W szkołach podstawowych dotyczy to oporników, a w średnich – także elementów półprzewodnikowych, takich jak dioda, czy tranzystor. Aby doświadczenia wykonać nowocześnie (a także szybko, dokładnie, zbierając i analizując dane cyfrowo), trzeba do ich przeprowadzenia wykorzystać czujniki i oprogramowanie PASCO. Najlepiej w przygotowanych już zestawach dla szkół podstawowych i średnich.
Nadprzewodniki
W 1951 roku John Bardeen odszedł z laboratorium Bell na emeryturę. Zaczął pracować jako profesor emerytowany na Uniwersytecie Illinois.
Rok wcześniej odkryto klucz do zagadki nadprzewodnictwa. Samo zjawisko, polegające na zaniku oporu elektrycznego w bardzo niskich temperaturach, było już znane od dawna. Odkrył je w 1911 roku holenderski fizyk Heike Kamerlingh Onnes. Słusznie przypuszczał on, że jego natura jest kwantowa, ale przez 40 lat nie udało się tego wyjaśnić. Przełom nastąpił dopiero wtedy, gdy wykryto, że izotopy tego samego pierwiastka stają się nadprzewodnikami w różnych temperaturach. Nasunęło to przypuszczenie, że nadprzewodnictwo zależy nie tylko od nośników ładunku, ale także od właściwości jonów sieci krystalicznej.
Ogólna teoria nadprzewodnictwa, znana pod nazwą BCS, pochodzącą od nazwisk jej twórców, Johna Bardeena, Leona Coopera i Johna Schrieffera, została ogłoszona w 1957 r. W dużym uproszczeniu, opiera się ona na postulacie, że w stanie nadprzewodnictwa prąd elektryczny przenoszony jest przez pary elektronów o przeciwnie skierowanych spinach. Spin, to moment pędu cząstki wynikający z jej natury kwantowej. Pojedyncze elektrony są fermionami (czyli cząstkami o spinie równym ½) i nie mogą zajmować tych samych stanów energetycznych. Ich para jest już jednak bozonem (cząstką o spinie całkowitym, w tym wypadku równym 0) a bozonów nie obowiązuje ten zakaz. Wszystkie mogą zajmować najniższy kwantowy poziom energetyczny i nie brać udziału w procesie rozpraszania energii wskutek oddziaływania z siecią krystaliczną. Elektrony tworząc parę oddziałują ze sobą za pośrednictwem sieci krystalicznej, dlatego odbywa się to tylko przy małych temperaturach, w których drgania atomów w sieci nie zakłócają tego oddziaływania.
Teoria porażała swoją prostotą, nie tylko Nielsa Bohra, twórcę kwantowego modelu atomu. 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 zastosowania, ponieważ wymaga schłodzenia przewodnika do bardzo niskiej temperatury, najczęściej poniżej –234 oC. Ale także w tej dziedzinie technologia rozwija się bardzo szybko. W chwili gdy piszemy ten materiał, rekordowo wysoka temperatura nadprzewodnictwa wynosi zaledwie –23 oC.
Nadprzewodnictwo wykorzystuje się dziś w transporcie, medycynie i badaniach naukowych. Namagnesowany przedmiot może lewitować nieskończenie długo nad magnesem nadprzewodzącym, w którym bez dodatkowego zasilania płynie raz wzbudzony prąd elektryczny.
Wynalezienie materiału nadprzewodzącego w temperaturze pokojowej zrewolucjonizowałoby ponownie, tak jak swego czasu półprzewodniki, całą światową gospodarkę. Doprowadziłoby na przykład do gigantycznej obniżki emisji CO2. Wytwarzanie i przesyłanie 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
