16+
Регистрация
РУС ENG
Расширенный поиск
http://www.eprussia.ru/epr/41/2779.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 1 (41) январь 2004 года

Сверхпроводник Джона Бардина

Энергетика: наука Владимир СЕМЕНОВ

Джон БАРДИН
23 мая 1908 г. – 30 января 1991 г.
Нобелевская премия по физике, 1956 г.
совместно с Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли,
Нобелевская премия по физике, 1972 г.
совместно с Леоном Купером и Дж. Робертом Шриффером

Американский физик и инженер-электрик Джон Бардин родился в г. Мэдисон (штат Висконсин) в семье Чарлза Р. Бардина, профессора анатомии и декана медицинской школы при Висконсинском университете, и Элси (в девичестве Хармер) Бардин. После смерти матери мальчика в 1920 г. его отец женился на Рут Хеймс. У Бардина есть два брата, сестра и сводная сестра.

Бардин посещал начальную школу в Мэдисоне, перескочив через четвертый, пятый и шестой классы, затем поступил в университетскую среднюю школу, перешел из нее в мэдисонскую центральную среднюю школу, которую и окончил в 1923 г. Несмотря на врожденный порок – тремор руки, он в молодости был чемпионом по плаванию и умелым игроком в бильярд.

В Висконсинском университете начинаюший ученый получил степень бакалавра по электротехнике в 1928 г., изучив в качестве непрофилирующих дисциплин физику и математику. Еще студентом старших курсов он работал в инженерном отделе «Вестерн электрик компани» (этот отдел позднее вошел в систему лабораторий компании «Белл»). В 1929 г. он получил степень магистра по электротехнике в Висконсинском университете, проведя исследование по прикладной геофизике и излучению антенн. В следующем году он последовал за одним из своих руководителей, американским геофизиком Лео Дж. Питерсом, в Питсбург (штат Пенсильвания), где в компании «Галф ризерч» они разработали новую методику, позволявшую, анализируя карты гравитационной и магнитной напряженностей, определять вероятное расположение нефтяных месторождений.

В 1933 г. Бардин поступил в Принстонский университет, где изучал математику и физику под руководством Эугена П. Вигнера. Он сосредоточил свое внимание на применении квантовой теории к физике твердого тела. К тому времени квантовая механика довольно успешно описывала поведение индивидуальных атомов и частиц внутри атома. Твердые тела подчиняются тем же самым квантово-механическим законам, но, поскольку макроскопическое тело состоит из большого числа атомов, задача анализа его свойств значительно сложнее. Докторскую степень ученый получил в Принстоне в 1936 г. за диссертацию, посвященную силам притяжения, удерживающим электроны внутри металла. За год до окончания своей диссертации он принял предложение стать на год после защиты временным научным сотрудником Гарвардского университета, каковым и оставался до 1938 г. В Гарварде Бардин работал с Джоном Г. Ван Флеком и П.У. Бриджменом над проблемами атомной связи и электрической проводимости в металлах.

Когда оговоренный срок закончился, ученый стал ассистент-профессором в Миннесотском университете, где он продолжил свои исследования поведения электронов в металлах. Между 1941 и 1945 гг. он служил гражданским физиком военно-морской артиллерийской лаборатории в Вашингтоне (округ Колумбия), изучая магнитные поля кораблей – важный по тем временам вопрос, учитывая его приложения к торпедному делу и тралению мин.

В 1945 г. Бардин перешел в компанию «Белл», где, работая совместно с Уильямом Шокли и Уолтером Браттейном, ему удалось создать полупроводниковые приборы, которые могли как выпрямлять, так и усиливать электрические сигналы. Полупроводники, такие, как германий и кремний, – это материалы, чье электрическое сопротивление занимает промежуточное положение между сопротивлениями металла и изолятора.

В процессе этой работы Шокли пытался построить то, что теперь называется полевым транзистором. В таком приборе электрическое поле, индуцированное напряжением, приложенным к полупроводнику, должно было влиять на движение электронов внутри материала. Шокли надеялся использовать электрическое поле, чтобы управлять свободными электронами в одном из участков полупроводника и тем самым модулировать ток, текущий через прибор. Кроме того, транзистор должен был обладать потенциальной возможностью стать усилителем, поскольку небольшой сигнал (приложенное напряжение) мог вызвать большие изменения тока, текущего через полупроводник.

Все попытки построить прибор, следуя этому плану, закончились неудачей. Тогда Бардин выдвинул предположение, что внешнее напряжение не создает внутри полупроводника желаемого поля из-за слоя электронов, находящихся на его поверхности. В процессе дальнейших исследований выяснилось, что свойства прибора зависят от освещенности, температуры, поверхности и изменяются при контакте с жидкостями или напылении на полупроводник металлической пленки. В 1947 г., как только группа по-настоящему разобралась в поверхностных свойствах полупроводников, Бардин и Браттейн построили первые работающие транзисторы.

Одним из первых был создан точечно-контактный транзистор, сделанный из одного куска германия. Точечными контактами были два тонких «усика» из металла, названных эмиттером и коллектором и прикрепленных к верхней части германиевого блока; третий контакт, названный базой, был связан с нижней частью блока. Для управления током между эмиттером и коллектором использовался небольшой ток, текущий между эмиттером и базой. Эта идея заменила собой первоначальную идею управления с помощью внешнего электрического поля. В более позднем варианте, названном плоскостным триодом, точечные контакты были удалены, а эмиттер и коллектор были образованы из полупроводниковых материалов, в которые вкраплены небольшие количества специальных примесей. Полевые транзисторы не находили практического применения, пока германий не был заменен кремнием в качестве основного материала.

Подобно радиолампе, транзистор позволяет с помощью небольшого сигнала (напряжение для лампы, ток для транзистора) в одном контуре управлять относительно большим током в другом контуре. Благодаря небольшим размерам, простоте структуры, низким энергетическим потребностям и малой стоимости транзисторы быстро вытеснили электронные лампы во всех радиотехнических приборах, за исключением устройств высокой мощности, используемых, например, в радиовещании или промышленных радиочастотных нагревательных установках. В настоящее время во всех высокоскоростных радиотехнических устройствах, а также во многих мощных высокочастотных установках, где можно обойтись без электронных ламп, обычно используются биполярные транзисторы. Усовершенствование технологии сделало возможным создание многих транзисторов из крохотных кусочков кремния, способных выполнять более сложные функции. Число транзисторов в одном подобном кусочке возросло с 10 до примерно 1 млн., в частности, благодаря уменьшению размеров соединений и самих транзисторов до величины от половины микрона до нескольких микрон (микрон равен 0,001 мм). Такие кусочки позволяют строить современные компьютеры, средства связи и управления, причем технология продолжает быстро развиваться.

Бардин разделил в 1956 г. Нобелевскую премию с Шокли и Браттейном «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». «Транзистор во многом превосходит радиолампы», – отметил Е.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 г. Бардин покинул телефонную компанию «Белл» и принял предложение занять одновременно два поста: профессора электротехники и профессора физики в Иллинойском университете. Здесь у него возобновился серьезный интерес к теме, которой он занимался в аспирантские годы и которая была прервана Второй мировой войной и не возобновлялась им до 1950 г., – проблеме сверхпроводимости и свойств материи при сверхнизких температурах.

Сверхпроводимость была открыта в 1911 г. нидерландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом, который обнаружил, что некоторые металлы совершенно теряют сопротивление к электрическому току при температурах, на несколько градусов превышающих абсолютный нуль. Электрический ток представляет собой поток электронов, движущихся в определенном направлении.

К исследованиям ученого позднее присоединились два его студента по Иллинойскому университету – Леон Н. Купер, который вел исследовательскую работу после защиты докторской диссертации, и Дж. Роберт Шриффер, аспирант. В 1956 г. Купер показал, что электрон (который несет отрицательный заряд), движущийся сквозь регулярную структуру (решетку) металлического кристалла, притягивает ближайшие положительно заряженные атомы, 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.

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.

Достижение Бардина, Купера и Шриффера было названо одним из наиболее важных в теоретической физике с момента создания квантовой теории. В 1958 г. 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 г. 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.

Бардин, Купер и Шриффер разделили в 1972 г. Нобелевскую премию по физике «за совместное создание теории сверхпроводимости, обычно называемой БКШ-теорией». Стиг 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 1957 г.»

В 1959 г. Бардин начал работать в Центре фундаментальных исследований Иллинойского университета, продолжая свои изыскания в области физики твердого тела и физики низких температур. В 1975 г. он стал почетным профессором в отставке.

Отправить на Email

Для добавления комментария, пожалуйста, авторизуйтесь на сайте

Также читайте в номере № 1 (41) январь 2004 года:

  • Новые технологии слива, хранения и разогрева мазута

    Специалистами ОАО УралОРГРЭС разработаны, внедрены и успешно работают на ряде предприятий России следующие технологии: - технология слива мазута из ж. д. цистерн, исключающая его обводнение и потерю конденсата; - технология экономичного подогрева мазута с использованием высокоэффективного подогревателя марки ПМТ, удобного в обслуживании, на который не распространяются требования Госгортехнадзора; - технология хранения мазута без подо...

  • Нидерланды: В Нидерландах из-за неисправности остановлена АЭС

    Атомная электростанция в голландском городе Борссель была остановлена из-за неисправности в одном из предохранительных клапанов. В течение нескольких дней температура в этом клапане постоянно повышалась. Поэтому было принято решение временно прекратить работу АЭС. Процесс остановки атомной электростанции занял около 17 часов. Специалисты рассчитывают затем починить несправный клапан в течение суток. Чтобы снова запустить электростан...

  • Новая жила СИП: особенности выбора

    Все большее распространение в российских распределительных сетях получают воздушные линии (ВЛ) 0,4-1 кВ с самонесущими изолированными проводами (СИП) с алюминиевыми фазными токопроводящими жилами с изоляцией из светостабилизированного сшитого (вулканизированного) полиэтилена. При устройстве таких линий следует обратить особое внимание на заземление как опор ВЛ, так и нулевой жилы СИП. ...

  • Энергетический разлом

    Россия и ЕС не смогли подписать соглашение о свободном транзите нефти и газа в Европу. Правительство России надеялось в декабре подписать транзитный протокол к Энергетической хартии. Эта церемония должна была пройти в Брюсселе с участием представителей 51 страны. Однако из-за так и не снятых между ЕС и Россией разногласий по документу процедура подписания отложена до лета 2004 года. До этих пор Европа останется без дешевых нефти и газ...

  • Блиц

    Объем финансового резерва на первое января 2004 г., по предварительной оценке Минфина России, составил 255 млрд. рублей. Из них 103,5 млрд. рублей будет зачислено в Стабилизационный фонд, который впервые начал формироваться в России в этом году. Ранее объем финансового резерва по итогам 2003 г. прогнозировался на уровне около 170 млрд. руб., а начальный объем Стабилизационного фонда - соответственно на уровне 80-90 млрд. рублей. Фи...