約翰·巴?。绹锢韺W(xué)家，發(fā)現(xiàn)晶體管效應(yīng)和超導(dǎo)的BCS理論）

約翰·巴丁（John Bardeen，1908年5月23日－1991年1月30日），男，美國物理學(xué)家，因晶體管效應(yīng)和超導(dǎo)的BCS理論兩次獲得諾貝爾物理學(xué)獎（1956、1972年）。

人物簡介

巴丁，1908年出生于美國威斯康星州的麥迪遜市，1923年進入威斯康星大學(xué)麥迪遜分校電機工程系學(xué)習(xí)，1928年取得學(xué)士學(xué)位，1929年取得碩士學(xué)位。畢業(yè)后巴丁留校擔(dān)任電機工程研究助理。1930年到1933年期間，巴丁在匹茲堡海灣實驗研究所從事地球磁場及重力場勘測方法的研究。1933年巴丁進入普林斯頓大學(xué)，在E.P.魏格納的指導(dǎo)下研究固體物理學(xué)。1935年到1938年期間任哈佛大學(xué)研究員，并于1936年獲得普林斯頓大學(xué)博士學(xué)位。1938年到1941年間，巴丁擔(dān)任明尼蘇達大學(xué)助理教授，1941年到1945年在華盛頓海軍軍械實驗室工作，1945年到1951年在貝爾電話公司實驗研究所研究半導(dǎo)體及金屬的導(dǎo)電機制、半導(dǎo)體表面性能等問題。1947年和同事布拉頓發(fā)明了半導(dǎo)體三極管，一個月后，肖克利發(fā)明了PN結(jié)晶體管，三人因發(fā)現(xiàn)晶體管效應(yīng)共同獲得1956年諾貝爾物理學(xué)獎。

人物經(jīng)歷

巴丁是在同一學(xué)術(shù)領(lǐng)域（物理學(xué)）中獲得兩次諾貝爾獎金的第一位科學(xué)家。就這一事實本身，人們不難看出巴丁在科學(xué)的道路上是何等的勇于進取，和善于發(fā)揮集體的力量。在1972年他接受諾貝爾獎金時，基金會成員贊揚他們說：“……珠穆朗瑪峰只有一小部分熱心攀登者才能到達。巴丁、庫珀、斯里弗三位在前人的基礎(chǔ)上，終于成功地到達了這一頂峰……你們作為一支隊伍，堅韌不拔，協(xié)力攻關(guān)……現(xiàn)在來自山頂上的那無限美好的景色終于展現(xiàn)在你們的眼前?！?/p>

1908年5月23日，巴丁出生于美國咸斯康星州的麥迪遜。1924年，進威斯康星大學(xué)攻讀電氣工程，1928年畢業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，1929年獲碩士學(xué)位后，去古爾夫研究實驗室，研究地球物理學(xué)三年。在進取心的驅(qū)使下，他又去新澤西州普林斯頓大學(xué)做研究生，鉆研數(shù)學(xué)和物理學(xué)。在那里，尤金·魏格納（Eu9enewi9ne r）把他領(lǐng)入了固體物理學(xué)的大門，正是在這個領(lǐng)域里，巴丁先后兩次獲得諾貝爾物理學(xué)獎金。

1936年，巴丁在普林斯頓大學(xué)獲物理學(xué)博士學(xué)位。1936—1938年間，在哈佛大學(xué)任教兩年。1938—1941年問，在明尼蘇達大學(xué)任助理教授三年。1941—1945年間，在華盛頓哥倫比亞特區(qū)的海軍軍械實驗室工作。1945—1951年間，巴丁去紐約市R爾電話實驗室，參加一個新成立的固體物理學(xué)研究小組。在那里，他和肖克利及布拉坦一起在1947年發(fā)現(xiàn)晶體二孤百雙應(yīng)。這項研究工作使他們?nèi)双@得1956年諾貝爾物理學(xué)獎金。

1951年以后，巴丁任伊利諾斯大學(xué)的物理學(xué)教授兼電氣工程教授，退休后擔(dān)任該校的名譽教授。在伊利諾斯大學(xué)，巴丁幫助制訂了超導(dǎo)性和半導(dǎo)體的研究規(guī)劃，后期的研究興趣主要集中在低溫物理學(xué)的理論方面，包括對超流體氦B的研究。1959—1962年間，任美國總統(tǒng)科學(xué)咨詢委員會委員。1960年以后，任羅徹斯特靜電復(fù)印公司的經(jīng)理。他是美國國立科學(xué)院院士，美國科學(xué)促進協(xié)會、物理學(xué)會和哲學(xué)學(xué)會的會員，并曾擔(dān)任過美國物理學(xué)會的主席。

由于工業(yè)上各種電子管如二極管、三極管、四極管和五極管的制造技術(shù)不斷發(fā)展，在物理學(xué)中便產(chǎn)生了一個新的學(xué)科，叫做電子學(xué)。借助于各種電子管和適當?shù)碾娐罚苋菀讓崿F(xiàn)整流、小信號的放大和產(chǎn)生各種頻率的無衰減的電振蕩。在電子管中，在不同電極間電的輸運是靠真空中的自由電子完成的。但在固體物質(zhì)中，電荷的輸運要復(fù)雜得多。純金屬都有很好的導(dǎo)電性，電荷輸運是靠金屬中的自由電子完成的。在半導(dǎo)體中，例如摻微量雜質(zhì)砷（或鋼）之類的N型或P型）半導(dǎo)體，電流是靠電子（或空穴）來傳導(dǎo)的。后來又發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體在某些條件下具有很好的整流作用。對半導(dǎo)體現(xiàn)象進一步研究的結(jié)果開拓了物理學(xué)的又一重要領(lǐng)域，即固體物理學(xué)。由于這門學(xué)科具有明顯的實用價值，所以從四十年代開始，許多工業(yè)部門和研究部門對它進行了多方面的深入研究。第二次世界大戰(zhàn)末期，美國物理學(xué)家肖克利和布拉坦已經(jīng)開始研究半導(dǎo)體材料及其在電子技術(shù)中應(yīng)用的可能性問題。1945年，巴丁很快參加了這項工作，并在其中起了很大的作用。他提出一個關(guān)于電子行為性質(zhì)的假設(shè)，指明了達到理想固體器件的途徑。他們?nèi)私M成的研究小組在巴丁的這個假設(shè)下發(fā)現(xiàn)，與電極接觸的特定排列的半導(dǎo)體層，如PNP或NPN排列，不但能起整流作用，而且還可以放大電流或電壓。這樣，他們?nèi)私K于在1947年末發(fā)明了一種半導(dǎo)體器件，用來代替笨重易碎且效率很低的真空管。他們將這種器件定名為“Transferre sistor9，后來縮寫為“TranslstorV，中譯名就是晶體三極管。晶體管的三個電極分別稱為發(fā)射極、基極和集電極，在外加直流電壓的作用下，發(fā)射極發(fā)射載流子（電子或空穴），這些載流子很小一部分流入基圾，絕大部分流入集電極。如果用微弱的外加信號控制基極電流，那么小的基極電流變化會引起大的案電極電流的變化，這就是晶體三極管的放大作用。晶體管比普通電子管具有一些明顯的優(yōu)點，例如功耗低、尺寸小、壽命長等。晶體管的出現(xiàn)引起了電子技術(shù)的一場大革命，出現(xiàn)了晶體管收音機、晶體管電視機和微型電子計算機等。這場革命一直延續(xù)到現(xiàn)在，從分立晶體管發(fā)展到集成電路，從小規(guī)模集成電路發(fā)展到中規(guī)模、大規(guī)模和目前的超大規(guī)模集成電路。

后來，巴丁又與庫珀和斯里弗密切合作，在1957年提出BCS理論，成功地解釋了幾十年來許多科學(xué)家，其中至少包括五位諾貝爾物理學(xué)獎金獲得者沒能解釋的超導(dǎo)現(xiàn)象。BCS是他們?nèi)说男誃ardeen、Cooper和Schrieffer的字首縮寫，而BCS理論就是巴丁—庫珀—斯里弗理論。他們?nèi)丝胺Q科學(xué)史上老年科學(xué)家與青年科學(xué)家相結(jié)合的典范。1911年，荷蘭人卡默林·昂尼斯（H．Kame rlingh onne s）發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)性，某些金屬在低于15開的低溫下呈現(xiàn)一種新的性質(zhì)，一旦在其中引起電流，這電流就會無休止地維持下去。超導(dǎo)性的理論解釋十分重要，以致許多杰出的理論家都對它進行探索，這些理論家包括玻爾（N．Bohr）、海森堡（W．K．Heisenberg）、倫敦（F．London）、布洛赫（F．BIoch）、蘭道（L．D．Landau）和費曼（P．Feynmann）等人在內(nèi)，他們大都是諾貝爾物理學(xué)獎金的獲得者。

大約在1950年，美國標準局的E．麥克斯韋（E．Maxwell）和拉特格斯大學(xué)的塞林(B．Serin）領(lǐng)導(dǎo)下的一個小組分別獨立發(fā)現(xiàn)，某一金屬出現(xiàn)超導(dǎo)性時的溫度是與這個金屬的原子量成反比例的。塞林打電話給巴丁，把這個發(fā)現(xiàn)告訴他，巴丁一聽到這個消息，立即想到必需把電子—聲子相互作用包含在內(nèi)，即必須考慮金屬晶格中的原子對傳導(dǎo)電子的效應(yīng)。但是，這些早期的嘗試未能成功地解釋超導(dǎo)性。

1956年，年僅二十六歲的伊利諾斯大學(xué)的副研究員庫珀指出，金屬中具有費米能級附近能量的兩個電子，彼此松散地吸引對方，會形成一種共振態(tài)，叫做一個“庫珀對”。下一年，巴丁和當時還是研究生的斯里弗把庫珀的想法應(yīng)用于多個電子，指出所有傳導(dǎo)電子如何可以形成一種新的合作狀態(tài)。按照這個模型，在金屬中正常移動的自由電子是成對耦合的，并同金屬晶格相互作用。這些電子對具有共同的動量，它們并不隨意地受個別電子隨機散射的影響，所以，有效電阻是零。自從量子理論發(fā)展以來，BCS理論被稱為是對理論物理學(xué)的最重要貢獻之一。由于BCS理論的指導(dǎo)，超導(dǎo)體已可以在稍高的溫度下形成，制成了這樣的超導(dǎo)合金。因此，對超導(dǎo)性的神話般的研究已導(dǎo)致種種實用成果，如超導(dǎo)磁鐵、超導(dǎo)體電子計算機，功率傳輸線等。美國IBM公司集中了很大力量，使超導(dǎo)計算機得到了很大發(fā)展。

巴丁教授在二十多年前就提出了量子尺寸效應(yīng)，這問題近年在美國和國際上頗受重視。他還提出利用量子尺寸效應(yīng)的原理研究制造所謂的GaAs—0aAlAs多層量子5ff異質(zhì)結(jié)激光器。雖然倫敦曾把超導(dǎo)體看作“微觀尺度上的量子結(jié)構(gòu)”，卻是約瑟夫遜（B．Josephson）利用BCS理論來預(yù)言微觀現(xiàn)象，并制成約瑟夫遜結(jié)。約瑟夫遜效應(yīng)制成的靈敏器件可以測量電流、電壓和磁場等。BCS理論的建立引起了大量更加深入的探索，由于這一貢獻，三人于1972年共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎金。1980年5月，巴丁應(yīng)中華人民共和國教育部和北京大學(xué)校長周培源的邀請來中國講學(xué)。在北京大學(xué)講學(xué)期間，作了有關(guān)“超導(dǎo)問題的發(fā)展和近況”、“超導(dǎo)計算機發(fā)展近況”以及“量子階異質(zhì)結(jié)激光器”等方面的報告。巴丁特別提到超導(dǎo)應(yīng)用目前有大功率（兆瓦）和小功率（微瓦）兩個方面，前一方面主要是超導(dǎo)磁體的各種應(yīng)用，近年的發(fā)展比人們預(yù)期的慢；后者是超導(dǎo)性用于電子器件，發(fā)展比人們預(yù)期的快。

1951年，巴丁由于和肖克利不合，離開貝爾實驗室，到伊利諾伊大學(xué)香檳分校任教。1950年代早期，巴丁就已經(jīng)開始考慮超導(dǎo)電性的問題。他意識到電子與聲子的相互作用是解決問題的關(guān)鍵。1953年，施里弗來到伊利諾伊大學(xué)，在巴丁的指導(dǎo)下攻讀物理學(xué)博士學(xué)位，并選擇超導(dǎo)問題作為博士論文題目。在普林斯頓高等研究院的楊振寧推薦下，剛從哥倫比亞大學(xué)獲得博士學(xué)位不久的庫柏開始與巴丁和施里弗進行合作。1957年，巴丁和庫珀、施里弗共同創(chuàng)立了BCS理論，對超導(dǎo)電性做出了合理的解釋。他們?nèi)艘惨虼双@得1972年諾貝爾物理學(xué)獎。巴丁是一位兩次獲得諾貝爾物理學(xué)獎的人。

巴丁1938年與麥克斯韋結(jié)婚，婚后育有兩子一女。業(yè)余時間巴丁喜歡旅游和打高爾夫球。

合作型科學(xué)家

物理學(xué)家約翰·巴丁是一個合作型科學(xué)家的典型。巴丁是唯一的一個兩次獲得諾貝爾物理獎的科學(xué)家。他的兩次獲獎項目都是與其他科學(xué)家合作的結(jié)晶。1939年凱利出任貝爾實驗室半導(dǎo)體研究部主任，為了充實力量，他從麻省理工學(xué)院招來了肖克萊，負責(zé)半導(dǎo)體物理小組的工作。1945年肖克萊雇用了在海軍軍械實驗室的固體理論物理學(xué)家巴丁。而布拉頓是一個出色的研究表面現(xiàn)象的實驗物理學(xué)家，從1929年就開始在貝爾實驗室工作。巴丁在固體量子理論上有扎實的基礎(chǔ)，善于用理論結(jié)構(gòu)解釋和協(xié)調(diào)實驗數(shù)據(jù)及其現(xiàn)象；而肖克萊長于用幾何圖像說明物理現(xiàn)象。這兩位理論物理學(xué)家在固體理論上取長補短，相得益彰，適應(yīng)了半導(dǎo)體研究對理論的全面需要，而布拉頓等人在半導(dǎo)體實驗上成果由于巴丁在理論解釋上的合作取得了重要進展。1945年肖克萊設(shè)計了晶體管和有關(guān)電路，布拉頓等進行的實驗卻未發(fā)現(xiàn)預(yù)期的電流調(diào)制作用，1946年巴丁提出了表面效應(yīng)理論，克服了這個困難。1947年巴丁和布拉頓合作導(dǎo)致了第一個晶體管點接觸晶體管的發(fā)明。肖克萊、巴丁和布拉頓3位科學(xué)家由于在晶體管的發(fā)現(xiàn)過程中在理論和實驗方面發(fā)揮的不同作用，共同分享了1956年的諾貝爾物理學(xué)獎。

1951年巴丁離開貝爾實驗室，擔(dān)任伊利諾大學(xué)的教授。1955年巴丁把研究領(lǐng)域轉(zhuǎn)向了超導(dǎo)研究。在進行超導(dǎo)研究中，巴丁意識到場論方法對求解粒子間帶有吸引相互作用的費米氣體多體問題，將是一種有利的工具。由于巴丁對此不夠熟悉，便向當時在普林斯頓高等研究所工作的楊振寧教授求助，問他是否認識既精通場論有愿意從事超導(dǎo)電性的人。楊振寧推薦了正在那里作博士后研究的庫珀。庫珀于1955年秋到了伊利諾大學(xué)。與此同時，巴丁的一位年輕研究生施里弗也參加了進行。1956年庫珀首先邁出了關(guān)鍵的和基礎(chǔ)性的一步，提出了現(xiàn)在以“庫珀對”而聞名的電子對的概念。1957年1月底，施里弗提出了超導(dǎo)體的基礎(chǔ)波函數(shù)。在此基礎(chǔ)上，1957年3人合作寫作發(fā)表了論文，一個全新的揭示超導(dǎo)電性的微觀理論就誕生了?，F(xiàn)在人們習(xí)慣采用這個理論的3位作者各自姓氏的第一個字母，稱之為BCS理論。1972年，巴丁、庫珀和施里弗分享了1972年的諾貝爾物理學(xué)獎。