ДЖОН БАРДИН

(1908–1991)

Джон Бардин родился 23 мая 1908 года в городе Мэдисон (штат Висконсин). Его отец, Чарлз Р. Бардин, был профессором анатомии и деканом медицинской школы при Висконсинском университете. Мать Элси (в девичестве Хармер) Бардин умерла в 1920 году. После этого отец женился на Рут Хеймс. У Джона было два брата, сестра и сводная сестра.

Успешно окончив начальную школу в Мэдисоне, Джон поступил в университетскую среднюю школу. Следующим шагом в его образовании стала учеба в мэдисонской центральной средней школе, где он учился до 1923 года.

По окончании школы Джон поступил в Висконсинский университет, и в 1928 году Бардин получил степень бакалавра по электротехнике. В качестве непрофилирующих дисциплин он изучал в университете физику и математику. Через год Джон получил степень магистра по электротехнике за исследование в области прикладной геофизики и излучению антенн. Еще будучи студентом старших курсов, он получил опыт практической работы в инженерном отделе «Вестерн электрик компани».

В 1930 году вместе с одним из своих руководителей, геофизиком Л.Д. Питерсом, отправляется в Питсбург (штат Пенсильвания). Работая в компании «Галф ризерч», они разработали новую методику, позволявшую, анализируя карты гравитационной и магнитной напряженностей, определять вероятное расположение нефтяных месторождений.

В 1933 году Бардин поступил в Принстонский университет. Здесь он изучал математику и физику под руководством Ю.П. Вигнера. Молодой ученый сосредоточил свои интересы в области применения квантовой теории в физике твердого тела. В 1936 году Бардин получил докторскую степень за диссертацию.

В 1935 году, еще работая над диссертацией, ученый принял предложение стать на год после защиты временным научным сотрудником Гарвардского университета. В таковом качестве он и оставался до 1938 года. В Гарварде Бардин работал с Д.Х. Ван Флеком и П.У. Бриджменом над проблемами электрической проводимости в металлах. Далее Бардин занял должность ассистента‑профессора в Миннесотском университете, где он продолжил свои исследования поведения электронов в металлах.

В 1938 году Бардин женился на Джейн Максвелл. Джейн родила ему двух сыновей и дочь.

Во время Второй мировой войны Бардин занимается вопросами обороны. В военно‑морской артиллерийской лаборатории в Вашингтоне он изучал магнитные поля кораблей с целью их защиты от торпед и мин.

В 1945 году ученый начал работать в компании «Белл». Здесь совместно с У. Шокли и У. Браттейном он проводил опыты по созданию на основе германия и кремния полупроводниковых приборов.

В 1947 году Бардин и Браттейн создали первые биполярные работающие транзисторы. Ими были описаны механизмы дырочной и электронной проводимости, введены понятия коллектор, эмиттер и база и предложены схемы включения транзисторов «с общим эмиттером», «с общим коллектором» и «с общей базой». Благодаря малым размерам, технологичности, экономичности и дешевизне, транзисторы быстро вытеснили электронные лампы (за исключением устройств большой мощности и СВЧ). Попытка создать тогда же униполярный транзистор (работы Шокли) не увенчалась успехом (они были созданы позднее).

«За исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта» в 1956 году Бардин, Шокли и Браттейн получили Нобелевскую премию. «Транзистор во многом превосходит радиолампы», – отметил Э.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».

В 1951 году Бардин покинул телефонную компанию «Белл» и занял одновременно два поста в Иллинойском университете: профессора электротехники и профессора физики. Ученый решил вернуться к проблеме сверхпроводимости и свойств материи при сверхнизких температурах, которой занимался, будучи еще аспирантом.

К 1950 году 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.

Вот, что рассказывается в книге «Лауреаты Нобелевской премии»:

«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 и колебаниями атомов металла и что в результате этого взаимодействия создается связь электронов друг с другом.

К исследованиям Бардина позднее присоединились два его студента по Иллинойскому университету – Л.Н. Купер, который вел исследовательскую работу после защиты докторской диссертации, и Дж.Р. Шриффер, аспирант. В 1956 году Купер показал, что электрон (который несет отрицательный заряд), движущийся сквозь регулярную структуру (решетку) металлического кристалла, притягивает ближайшие положительно заряженные ионы, слегка деформируя решетку и создавая кратковременное увеличение концентрации положительного заряда. Эта концентрация положительного заряда, в свою очередь, притягивает второй электрон, и два электрона образуют пару, связанную друг с другом благодаря искажению кристаллической решетки. Таким путем многие электроны в металле объединяются по два, образуя куперовские пары.

Бардин и Шриффер попытались с помощью концепции Купера объяснить поведение обширной популяции свободных электронов в сверхпроводящем металле, но их постигла неудача. Когда Бардин в 1956 году отправился в Стокгольм получать Нобелевскую премию, Шриффер уже готов был признать поражение, но напутствие Бардина запало ему в душу, и ему удалось‑таки развить статистические методы, необходимые для решения данной проблемы.

После этого Бардину, Куперу и Шрифферу удалось показать, что куперовские пары, взаимодействуя между собой, заставляют многие свободные электроны в сверхпроводнике двигаться в унисон, единым потоком. Как и догадывался Ф. Лондон, сверхпроводящие электроны образуют единое квантовое состояние, охватывающее все металлическое тело. Критическая температура, при которой возникает сверхпроводимость, определяет ту степень уменьшения температурных колебаний, когда влияние куперовских пар на координацию движения свободных электронов становится доминирующим. Поскольку возникновение сопротивления при отклонении даже одного электрона от общего потока с необходимостью повлияет на другие электроны, участвующие в сверхпроводимости, и тем самым нарушит единство квантового состояния, такое возмущение весьма мало вероятно. Поэтому сверхпроводящие электроны перемещаются коллективно, без потери энергии.

Достижение Бардина, Купера и Шриффера было названо одним из наиболее важных в теоретической физике с момента создания квантовой теории. В 1958 году они с помощью своей теории предсказали сверхтекучесть (отсутствие вязкости и поверхностного натяжения) у жидкого гелия‑3 (изотоп гелия, ядро которого содержит два протона и один нейтрон) вблизи абсолютного нуля, что и подтвердилось экспериментально в 1962 году. Сверхтекучесть наблюдалась ранее у гелия‑4 (наиболее распространенный изотоп с одним дополнительным нейтроном), и считалось, что она невозможна у изотопов с нечетным числом ядерных частиц».

В 1959 году Бардин начал работать в Центре фундаментальных исследований Иллинойского университета, продолжая свои изыскания в области физики твердого тела и физики низких температур.

В 1965 году Бардин был удостоен Национальной медали «За научные достижения» Национального научного фонда, а в 1971 году – почетной медали Института инженеров по электротехнике и электронике.

В 1972 году Бардин вместе с Купером и Шриффером вновь получил Нобелевскую премию по физике «за совместное создание теории сверхпроводимости, обычно называемой БКШ‑теорией». С. Лундквист, член Шведской королевской академии наук, при презентации лауреатов отметил полноту объяснения ими сверхпроводимости и добавил: «Ваша теория предсказала новые эффекты и весьма стимулировала дальнейшие разработки в теоретических и экспериментальных исследованиях». Он также указал на то, что «дальнейшее развитие… подтвердило огромное значение и ценность идей, заложенных в этой фундаментальной работе в 1957 году».

БКШ‑теория привела к созданию материалов, позволяющих сконструировать исключительно мощные и экономичные электромагниты небольших размеров. Такие электромагниты используются при ядерном синтезе, в ускорителях частиц высокой энергии, в поездах на магнитной подушке над рельсами, в биологических и физических исследованиях и при конструировании компактных мощных электрических генераторов.

В 1975 году он стал почетным профессором в отставке. В 1977 году ученый получил президентскую медаль Свободы правительства Соединенных Штатов. В течение многих лет он был соиздателем журнала «Physical Review». Бардин – член американской Национальной академии наук и Американской академии наук и искусств, а также Американского физического общества.

В последние годы жизни ученый много путешествовал и играл в гольф. Умер Бардин 30 января 1991 года.

Поиск по сайту: