Нобелевские лауреаты: Джон Бардин. Транзистор и сверхпроводимость

Об одном из двух ученых в истории, удостоенных сразу двух Нобелевских премий в одной и той же области, о сверхпроводимости и обещании, данном королю Швеции, повествует наш новый выпуск рубрики «Как получить Нобелевку».

Прежде чем начать рассказ о самом титулованном физике в истории, давайте сразу договоримся о двух вещах. Во-первых, у физика Джона Бардина и мультипликатора Гарри Бардина разные фамилии и произносятся они по-разному. У физика ударение на «дин», у мультипликатора — на «Бар». Во-вторых, сегодняшнюю статью мы проиллюстрируем пятью частями уникального видео — почетной лекции, которую наш герой прочел незадолго до смерти, в 1990 году, в Университете Висконсина. Не всегда мы можем увидеть и услышать Нобелевского лауреата.

А теперь — давайте обо всем по порядку. Итак, встречайте!

Джон Бардин

Родился 23 мая 1908 года, Мадисон, штат Висконсин, США

Умер 30 января 1991 года, Бостон, штат Массачусетс, США

Нобелевская премия по физике 1956 года (1/3 премии, совместно с Уолтером Браттейном и Уильямом Брэдфодом Шокли). Формулировка Нобелевского комитета: «За исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта (for their researches on semiconductors and their discovery of the transistor effect)».

Нобелевская премия по физике 1972 года (1/3 премии, совместно с Леоном Нилом Купером и Джоном Робертом Шриффером). Формулировка Нобелевского комитета: «За создание теории сверхпроводимости, обычно называемой БКШ-теорией (for their jointly developed theory of superconductivity, usually called the BCS-theory)».

Наш герой родился в США, в столице штата Висконсин. Его отец, Чарльз Расселл Бардин, был не последним человеком в американской медицине — известный анатом и врач, он был еще и первым деканом медицинского факультета Университета Висконсина. Мать Джона, Альтея Хармер, до замужества занималась дизайном интерьеров.

Сын этой замечательной пары рос вундеркиндом: он перескакивал через классы и поступил в Университет Висконсина в 15 лет. Мог бы и раньше, но мешала болезнь матери и другие бытовые неурядицы.

В своем первом вузе Бардин получил степень бакалавра по электротехнике. Потом он поступил в Принстон, где уже занимался теоретической физикой под руководством будущего нобелевского лауреата Юджина Вигнера (о нем мы расскажем, когда доберемся до 1963 года). Так два университета открыли нашему герою две области, в которых он и получит свои Нобелевские премии — электротехнику и теоретическую физику.

Оставшиеся до войны годы Бардин проработал в Гарварде, где сотрудничал, кстати, с еще одним будущим Нобелевским лауреатом — Перси Бриджменом, который получит свою премию в 1946 году.

Во время войны Бардина сначала пытались привлечь к работам над атомной бомбой, но он как-то сумел откреститься от участия в этом проекте и, как и Уолтер Браттейн, занимался магнитной детекцией подводных лодок и мин. А в 1945 году он пришел в Bell Laboratory.

То, что было потом, мы уже рассказывали — и то, как Бардин с Браттейном создали в 1947 году первый транзистор, и о вкладе Уильяма Шокли в дальнейший успех, и о развале лаборатории: для Бардина после изобретения транзистора ситуация в Bell Lab была невыносима — не с точки зрения денег или научной работы, с точки зрения человеческой атмосферы, сложившейся там.

Поэтому в 1951 году Бардин начал искать себе работу. Поняв, что высвобождается гениальный физик, его друг Фред Зейц посоветовал руководству Университета Иллинойса оперативно предложить Бардину должность с окладом 10 тысяч долларов в год. И на следующие четыре десятка лет Иллинойс станет основным местом работы для нашего героя.

Получив нормальное жалование и комфортные условия, Бардин вернулся к теме, которую оставил еще до войны — он снова взялся за создание теории сверхпроводимости.

Напомним, что явление падения электрического сопротивления некоторых металлов до нуля вблизи абсолютого нуля открыл в 1911 году нидерландский физик Хейке Камерлинг-Оннес, «мистер абсолютный нуль», — и сравнительно быстро получил Нобелевскую премию.

В 1933 году Вальтер Мейснер выяснил, что сверхпроводники — диамагнетики, то есть они препятствуют проникновению внутрь магнитного поля. Фактически любой магнит будет парить над диамагнетиком. Через два года физик из Германии с немецким именем Фриц и с фамилией Лондон предположил, что диамагнетизм — фундаментальное свойство сверхпроводника, а сверхпроводимость — это некий квантовый эффект, распространяющийся по всему сверхпроводящему материалу. Впрочем, дальше Лондон не сумел продвинуться.

Эстафету принял Бардин со своими аспирантом Джоном Шриффером и студентом Леоном Купером.

Бардин предположил, что в сверхпроводимости металла важную роль играет взаимодействие между подвижными электронами и колебаниями атомов металла и что в результате этого взаимодействия создается связь электронов друг с другом. Как раз за счет этого разные изотопы одних и тех же металлов переходили в сверхпроводящее состояние при разных температурах. Нужно было это предположение описать теоретически.

Первый успех пришел к уже бывшему студенту Куперу, который смог показать, что электрон, проходящий сквозь кристалл, притягивает ближайшие положительно заряженные атомы металлов, немного деформируя кристаллическую решетку. Это создает кратковременное увеличение концентрации положительного заряда, а она притягивает второй электрон, и два электрона образуют пару, связанную друг с другом. Потом такие пары назовут куперовскими. Это случилось в 1956 году, и казалось, Шрифферу осталось только распространить это на макроописание — расписать, что происходит с большой популяцией электронов.

Но здесь что-то не ладилось. Но присуждение первой Нобелевской премии, которое случилось как раз «в дни сомнений, в дни тягостных раздумий», оказалось очень кстати. Отправляясь на церемонию, Бардин сумел так горячо напутствовать своих учеников, что, пока сам он занимался официальными мероприятиями в Стокгольме, задача оказалась принципиально разрешена.

Любопытный факт: на церемонию вручения Нобелевской премии в 1956 году Джон Бардин взял только одного из своих трех детей. 74-летний король Швеции Густав VI Адольф шутя попенял нобелиату, что он не взял с собой всех. На что Бардин отвечал, что, когда ему в следующий раз будут вручать Нобелевскую премию по физике, он обязательно возьмет с собой всех троих и представит их Его Величеству. Кто же знал, что Бардин через 16 лет сдержит обещание? Правда, и шведский король оказался под стать — он дожил и доцарствовал до Нобелевской церемонии в декабре 1972 года и вручил своему старому знакомому его вторую Нобелевскую медаль (это вручение стало последним для старого короля, он умер от осложненной пневмонии в сентябре 1973 года в возрасте почти 91 года).

В апреле следующего года в Physical Review вышла статья «Микроскопическая теория сверхпроводимости», которую очень быстро стали называть теорией Бардина-Купера-Шриффера, а потом и просто БКШ-теорией. И — действительно — через 15 лет она принесла всем троим высшую награду в области физики. Бардину — во второй раз.

Теория Бардина-Купера-Шриффера оказалась полезной не только для теоретиков. Стало понятно, какие материалы могут обладать сверхпроводимостью при больших температурах или выдерживать сильные магнитные поля. Так что именно благодаря нашему герою мы теперь можем делать МРТ, устанавливать структуру органических молекул и многое, многое другое.

Джон Бардин прожил 82 года. Когда этот замечательный человек, достигший в своей жизни всего и проживший большую ее часть в потрясающей гармонии, умер, многие его соседи по кампусу в Университете Иллинойса расстроились — больше не будет занятного дедушки-профессора, который постоянно устраивал потрясающие пикники. Как? Дважды нобелевский лауреат?

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.