Tudja-e ki az,aki egyetlenként kétszer is megkapta a fizikai Nobel-díjat?

John Bardeen a tranzisztor prototípusával 1988-ban.

Annak ellenére, hogy felfedezése mindennapjaink részévé vált,  még sem lett ismert a neve, olyannyira, hogy még a saját szomszédai sem tudták róla, kicsoda ő valójában. Csak úgy ismerték, mint egy kedves és szerény embert, aki szeret velük grillezni.

Marie Sklodowska-Curie lengyel fizikus és kémikus 1903-ban férjével Pierre Curie-vel valamint Henri Becquerellel megosztva kapta meg a fizika Nobel-díjat, majd 1911-ben egymaga a kémiai Nobel-díjat is átvehette.

Marie Curie a laboratóriumában Forrás: AFP

Viszont csak egyetlen olyan ember van, akit két ízben is fizikai Nobel-díjjal tüntettek ki.John Bardeen 1908. május 23-án született a Wisconsin állambeli Madisonban. A mérnöki tudományok és matematika iránt érdeklődő ifjabb Bardeen a Pennsylvania Egyetemen szerzett elektromérnöki diplomát 1927-ben.

A nevéhez fűződik a 20. század egyik legnagyobb felfedezése

A következő 20 évben Amerika szerte különböző laboratóriumokban elektromérnök-kutatóként, 1951-től 1975-ig pedig az Illionis Egyetem fizikaprofesszoraként dolgozott.

Egyetemi professzorként két úttörő jellegű kutatási projektet indított el:

az egyik az félvezetők kísérleti és elméleti aspektusára fókuszáló Electrical Engineering Department, a másik pedig a szupravezetést valamint a kvantumfolyadékokat magában foglaló makroszkopikus kvantumrendszerekre fókuszáló Physics Department kutatási program volt.

John Bardeen 1956-ban. Forrás: https://hu.wikipedia.org/wiki/John_Bardeen#/media/F%C3%A1jl:Bardeen.jpg

John Bardeen akkor tette az első fontos felfedezését,

amikor nem sokkal a második világháború után a Bell Laboratóriumban kezdett el dolgozni.

Az Amerikai Telegráf és Telefon Társaság (American Telegraph and Telephone Company) ekkoriban nagy gondban volt, mert sokkal jobb erősítőkre lett volna szükségük a meglévőknél.

Elektroncső. Két vagy több elektródát tartalmazó vákuumcső, amellyel áramkörök áramerőssége szabályozható Forrás: http://www.vilaglex.hu/Lexikon/Html/ElektCso_.htm

Mervin Kelly, a Bell Laboratórium igazgatója sejtette, hogy kristályos anyagokból, azaz a félvezetőkből új erősítőt lehetne építeni,

de akkoriban még nem sokat tudtak a félvezető anyagok fizikájáról.

Azt remélték, hogy szupravezetőket használva kisebb és hatékonyabb erősítőket lehet konstruálni.

Bardeen egy egyenletet magyaráz 1963-ban. Forrás: https://distributedmuseum.illinois.edu/exhibit/john_bardeen/

A félvezető anyagok, mint amilyen például a szilícium, vagy a germanium, jobban vezetik az áramot a szigetelőknél ( guminál, üvegnél), de nem olyan jól, mint a fémek ( például a vörösréz).

Úgy tűnt, hogy egy ezek közötti karakterrel igen sok problémát át lehetne hidalni.

A félvezetőket ugyanis fénnyel megvilágítva, vagy töltést injektálva beléjük, illetve hőmérsékletüket megváltoztatva át lehet alakítani, hogy inkább mint vezető, vagy inkább mint szigetelő viselkedjenek.

Félvezetőket gyártó kínai cég dolgozói Forrás: AFP/Imaginechina

Ez a flexibilitás teszi a félvezetőket annyira hasznossá, ám de amikor Bardeen a Bell Laboratóriumban dolgozott, még senki nem tudott eleget a fizikájukról ahhoz, hogy lássák, hogyan lehetne belőlük erősítőt építeni.

A tranzisztortól a mikrochip forradalmáig

William Shockley laborvezetőnek volt az az ötlete, hogy szilíciumkristályt alkalmazva készítsenek erősítőt, de az nem működött ezért az igazgató két munkatársát Walter Brattaint és Bardeent kérte fel, hogy találják ki, miért nem működik a dolog. Bardeen rájött, hogy az elektronok a kristály felszínén elektromos filmet formálnak.

Számításai kimutatták, hogy az így keletkező felületek akadályozzák azt, hogy a félvezető erősítőként működjön.

Ezért Bardeen elvetette Shockley elképzelését. A további kutatások során Bardeen "gyártotta" az ötleteket és matematikai modelleket fejlesztett, míg Brattain eszközöket épített, illetve kísérleteket végzett és adatokat gyűjtött.

William Bradford Shockley. Forrás: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1956/shockley/facts/

A kvantumfizika új lehetőségeket kínált a félvezetők tulajdonságainak feltérképezéséhez. A kitartó kutatásokat siker koronzáta:

1947. december 16-án Bardeen és Shockley germánium, műanyag és arany felhasználásával megalkották a világ első félvezető erősítőjét, melyet Shockley továbbfejlesztve létrehozta a tranzisztort.

Forrás: FORRÁS: HTTPS://NEWSROOM.UNSW.EDU.AU

Az elektronikus kapcsolóként, erősítőként használható tranzisztor három rétegből - pnp, vagy npn - típusú vezetési tartományból áll.

A dióda kétrétegű félvezető, amelyet egy p és egy n típusú félvezető alkot: ha egy feszültségforrás negatív sarkát az n, a pozitív sarkát a p rétegre kapcsoljuk, akkor a dióda elektromos vezetővé válik.

A tranzisztorok napjainkra már annyira beépültek a mindennapi életünkbe, hogy alig vesszük őket észre.

A Bell Laboratórium két zseniális kutatójának köszönhetjük az 1950-es években megjelenő zsebméretű tranzisztoros rádiókat, majd a későbbi hordozható televíziókat, de a videokép-rögzítőket, és a kompakt lemezjátszókat (CD-ket) úgyszintén.

Michelle Simmons a világ legkisebb tranzisztorának képét mutatja a Sydney Quantum Computer Technology Centerben Forrás: AFP/Torsten Blackwood

De ez a felfedezés alapozta meg a számítógépek második generációjának, a digitális számítógépeknek az elterjedését is. A bináris kódolású digitális számítógépeket a tranzisztorok on és off állapota által lehetett kódolni: a kétkomponensű logika a 0 -1, azaz az igaz-hamis kódolás így vált gyakorlati lehetőséggé.

Új fejezetet teremtettek a számítástechnikában

A késői 1950-es évektől ezek a tranzisztorizált számítógépek váltották fel az óriási vákuumcsöves monstrumokat, mint amilyen például az 1940-es években a nukleáris bomba előállításhoz szükséges számítások elvégzéséhez használt 30 tonnás ENIAC volt, amely a Pennsylvania Egyetemen egy nagy szobát töltött ki.

Neumann János, a világhírű magyar matematikus az ENIAC számítógép előtt Forrás: Famous Mathematician

Úgy hírlett, vákuumcsövei olyan sok energiát fogyasztottak, hogy amikor bekapcsolták, a városi fények minden alkalommal vibrálni kezdtek.

John Bardeen a tranzisztor prototípusával 1988-ban. Forrás: https://distributedmuseum.illinois.edu/exhibit/john_bardeen/

A csövekkel összehasonlítva a tranzisztor könnyű, hatékony, tartós, olcsó és kicsi. A későbbiekben feltalálták, hogyan lehet milliónyi tranzisztort egyetlen chip-re tömöríteni, és ezzel létrejöttek az integrált áramkörök.

Walter Houser Brattain. Forrás:https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1956/brattain/facts/

Korszakalkotó felfedezését követően 9 évvel később, 1956-ban Bardeen átvehette az első fizikai Nobel-díját

William Bradford Shockley-val (a Semiconductor Laboratory of Beckman Instruments fizikusával) és Walter Brattainnel (a Bell Telephone Laboratories fizikusával) megosztva, a háromrétegű félvezető feltalálásáért, illetve a tranzisztorhatás felfedezéséért.

Bardeen később a szupravezetés elméletén dolgozott

Amikor bizonyos anyagokat lehűtünk extrém alacsony hőmérsékletekre, szupravezetőkké válnak, azaz ellenállás nélkül vezetik az áramot. Minden 20. századi nagy elme - Einstein, Heisenberg, vagy Feynman - próbálta megmagyarázni a jelenséget, de nem sok sikerrel.

Einstein sem tudta megfejteni a szupravezetés titkát Forrás: Wikimedia Commons/Orren Jack Turner, Princeton, N.J.

Bardeen Leon Neil Cooperrel és John Robert Schriefferrel együttműködve

1957-ben a kvantumfizika alapján megalkotta e jelenség elméletét, a Bardeen-Shockley-Cooper teóriát,

ami kimondja, hogy extrém alacsony hőmérsékleteken a fémek kristályszerkezetében az elektronok és atomok közti kölcsönhatás eredményeként az elektronok párba állnak, a mozgásuk rendezetté válik (nem úgy mint normál hőmérsékleteken) és az elektromos ellenállás megszűnik.

Az általuk kifejlesztett szupravezetők makroszkopikus elméletét a fizika majdnem minden területén mélyrehatóan alkalmazzák

az elemi részecskéktől kezdve a neutron csillagok működésének megértéséig bezárólag.

Bardeen ezen kívül úttörő jellegű kutatásokat végzett a kondenzált anyag fizikájának úgyszólván minden aspektusát illetően.

Másodszor is megkapta a fizikai Nobel-díjat

A zseniális tudós, Bardeen ezért 16 évvel később, 1972-ben két kollégájával, Leon Neil Cooperrel és John Robert Schriefferrel megosztva ismét átvehette a fizikai Nobel-díjat. Ma kivétel nélkül a szupravezetés technológiáját alkalmazzák a világ legérzékenyebb detektoraiban.

John Robert Schrieffer, John Bardeen és Leon Cooper a BCS elmélet (Bardeen–Cooper–Schrieffer teória), azaz a szupravezetés elméletének megalkotói, amiért 1972-ben átvehették a fizikai Nobel-díjat. Forrás: https://distributedmuseum.illinois.edu/exhibit/john_bardeen/

Bardeen 1991. január 30-án bekövetkezett haláláig folytatta a kutatásait.

A rendkívül szerény, két fizikai Nobel-díjjal büszkélkedhető tudósról még a szomszédai sem tudták, hogy valójában kicsoda ő. Úgy ismerték, mint egy barátságos és szeretetreméltó embert, aki szeret nekik hamburgert grillezni.