A tranzisztor feltalálása – mely hetvenöt évvel ezelőtt teljesen megváltoztatta az életünket – több ember nevéhez fűződik, ennek a három fős csapatnak volt az egyik tagja John Bardeen, aki éppen 115 évvel ezelőtt született. Ugyancsak ő volt, aki harmadmagával kidolgozta a szupravezetés elméletét. Mindkét tevékenysége fizikai Nobel-díjat ért, ő az egyetlen ember eddig, aki kétszer is elnyerte a fizikai Nobel-díjat. Születésnapja ürügyén most megismerkedhetünk mindkét közös találmánya mellett az élettörténetével és egyéb szakmai munkásságával.

John Bardeen 1908. május 23-án született az USA-ban, Wisconsin állam Madison nevű kisvárosában egy ötgyermekes család második gyermekeként. Édesapja, Charles Russell Bardeen a John Hopkins Medical School. első végzett orvosa volt, majd a University of Wisconsin Medical School első dékánja lett. Édesanyja Althea Halmer pedig belsőépítészként tevékenykedett Chicago-ban.

John Bardeen az iskoláit Madisonban végezte el némi késleltetéssel, mert közbejött édesanyja halála. Utána 1923-tól a University of Wisconsin egyetemen tanult tovább, de nem követte apja nyomdokait, inkább a mérnöki tanulmányokat választotta. A BSc fokozatot 1928-ban szerezte meg, ezt is egy évvel lassabban teljesítette, viszont közben már az MSc tézisein dolgozott, így 1929-ben azt a fokozatot is elérte. Egyetemi évei alatt már csatlakozott a Zeta Psi közösséghez, ehhez a tagdíjat biliárdozással kereste meg. Elsősorban a matematika és a fizika határozta meg az érdeklődési körét, az egyetemen pedig olyan előadókkal találkozott, mint Paul Dirac, Werner Heisenberg és Arnold Sommerfeld. Pályafutása első két évét a Western Electricnél töltötte Chicagoban, ahol antennákkal foglalkozott. 1930-tól a pittsburghi székhelyű Gulf olajtársaság kutatóintézetében helyezkedett el, ahol mágneses és gravitációs jelenségek olajkutatásban történő felhasználására szolgáló módszerek kifejlesztésén dolgozott. Ez egy izgalmas területnek ígérkezett, de csak rövid ideig kötötte le az érdeklődését és újra a matematika felé fordult. 1933-tól a Princeton Egyetemen folytatta tanulmányait, ahol matematikát és fizikát tanult. Itt Wigner Jenő irányítása alatt szilárdtest fizikából írta a téziseit. Ez az időszak nagy hatással volt Bardeenre, mert Wigner Jenő és Frederick Seitz már az akkor körvonalazódó kvantummechanika segítségével próbálták megérteni, hogy működnek a félvezetők. Közben azonban a Harvard Egyetemre kapott meghívást, ahol három évig a későbbi Nobel-díjas John Hasbrouck van Vleck és Percy Williams Bridgman mellett végzett kutatást fémek elektromos vezetése és a kohézió problémaköre területén, foglalkozott az atommagok szintsűrűségével, de itt ismerkedett meg a szupravezetés jelenségével is. Közben 1936-ban megszerezte a Princetonon a PhD fokozatot is matematikai fizika tárgykörben.

1938-ban feleségül vette Jane Maxwellt, akit még pittsburghi barátai révén ismert meg. Jane biológus volt és egy bostoni középiskolában tanított. Tartós házasságukból három gyermek is született: James Maxwell Bardeen 1939-ben, William Allan Bardeen 1941-ben és Elizabeth Bardeen Greytak 1944-ben.

A házasságkötésük után Bardeen a Minnesotai Egyetem egyetemi adjunktusa volt, ahol fizikát oktatott. A második világháború alatt Bardeen is a hadiiparban vállalt szerepet, felhasználva alkalmazott fizikai ismereteit. 1941-től 1944-ig mágneses aknák és torpedók fejlesztésével és ezek elleni védelmi rendszerekkel foglalkozó csoportot vezetett a Haditengerészeti Lőszerlaboratóriumban. A védelmi rendszerek különösen fontosak voltak, hogy meg tudják védeni az amerikai hajókat és tengeralattjárókat a mágneses aknáktól és torpedóktól.

A háború véget érte után, 1945 októberében Bardeen a Bell Labs új szilárdtest-fizikai kutatócsoportjához csatlakozott, melyet William Shockley szilárdtest-fizikus és Stanley Morgan vegyész vezetett. A kutatócsoportot azért szervezte újjá a Bell Labs, hogy megoldást találjanak a szilárdtest alapú erősítő létrehozására. Az újjászervezést vezénylő Mervin Kelly kutatási igazgató azért döntött a kettős vezetés mellett, mert az volt a gondolata, hogy az így létrehozott interdiszciplináris kutatócsoport közelebb tud kerülni a megoldáshoz.

A kutatócsoportban dolgozott Walter Brattain is, akinek az öccsét, Robert Brattaint jól ismerte a Princetoni Egyetemről, jó barátok voltak. Korábban már Robert bemutatta a bátyját Bardeen-nek, akivel így jó ismeretségbe került, sőt egy idő után együtt bridzseltek és golfoztak, miközben persze állandóan a fizika volt a beszélgetéseik középpontjában. Ez az ismeretség még egy lökést adott Bardeennek ahhoz, hogy csatlakozzon a kutatócsoporthoz.

A korábbi kutatásaiból kiindulva William B. Shockley továbbra is kitartott amellett, hogy a külső elektromos mezővel kell befolyásolni a félvezető vezetőképességét, azonban kísérletei kudarcot vallottak. Mivel úgy gondolta, hogy a félvezető felületi töltése nem engedi a külső tér hatását érvényesülni, így az újonnan érkezett Bardeenre bízta ennek a „páncélnak” az áttörését. Shockley más problémák megoldásába mélyedt és nem foglalkozott tovább a kérdéssel.

Bardeen és Brattain ezek után folyamatos kísérletezésbe kezdtek. Bardeen gondolta ki az elméleteket, Brattain pedig kísérletekben igyekezett igazolni őket. Bardeen azzal a feltételezéssel élt, hogy a félvezető felületi állapotának a helyi változásai zárják csapdába a töltéshordozókat, ezért nem jön létre az elektronáramlás. Sikerült ugyan minimális eredményt elérniük az egyik alkalommal, amikor Brattain egy kis aranygolyót nyomott a szilícium lapkába és desztillált vízzel vette körül, de a siker nem volt átütő. Ez után lecserélték a szilíciumot germániumra és eljutottak ahhoz a gondolathoz, hogy ha a germániumlapkába két igen közeli ponton érintkezőt vezetnek, akkor az egyik érintkező (emitter) és a félvezető (bázis) között folyó árammal a másik érintkezőn (kollektor) akár százszoros erősítést is el tudnak érni. 1947. december 16-án a gyakorlatban is sikerült ez az erősítőhatást megvalósítaniuk és ezzel megszületett a pont-kontaktusos tranzisztor modellje. Ez ugyan nem a Shockley-féle térvezérlésen alapult, de meghozta a kellő eredményt. A kutatás sikerét bejelentették Shockley-nak, aki december 23-ra meg is szervezte a bemutatót a Bell labor vezetése számára. Ugyanakkor Shockley nagyon bosszús volt azért, hogy a találmány létrehozásában nem vett részt, ez komoly nézeteltérésekhez vezetett. A Bell vezetése úgy próbált úrrá lenni a helyzeten, hogy kötelezték Bardeent és Brattaint arra, hogy a bejelentés után készülő fotókon mindhármuknak rajta kell lenni. Ugyanakkor a találmányra vonatkozó szabadalmat ketten adhatták be közösen, ezen Shockley nem szerepelhetett. Így született meg az US 2 524 035 számú szabadalom, ami a szerény „Three-electrode circuit element utilizing semiconductive materials” címet kapta. A tranzisztor nevet csak később találta ki az eszközre John R. Pierce, a Bell Labs kutatója éppen Brattain felkérésére. Pierce abból indult ki, hogy míg a elektroncső egy transzkonduktív eszköz, addig a feltalált eszköz inkább transzrezisztív jellegű. A név így a varisztor és a termisztor mintájára alakult ki a transfer és resistor szavak összevonásából.

Igazán tehát az első tranzisztormodell megalkotása Bardeen és Brattain közös kutatásainak köszönhető, utána viszont Shockley kutatásai vezettek el a gyakorlatban is gyártható rétegtranzisztor modelljéhez. Így érthető, hogy hárman közösen kapták meg a fizikai Nobel-díjat 1956-ban „a félvezetőkkel kapcsolatos vizsgálataikért és a tranzisztorhatás felfedezéséért”, bár a Svéd Királyi Tudományos Akadémia indoklása mindegyiküknél eltérő volt.

Mivel Shockley 1948 után teljesen kizárta Bardeent és Brattaint a rétegtranzisztor további kutatásaiból, Bardeen újabb kihívásokat keresett. Barátja, Frederick Seitz – akit még a Princeton Egyetemen ismert meg, de ekkor már a University of Illinois at Urbana-Champaign egyetemen volt professzor – meggyőzte az egyetemet, hogy ajánljanak fel Bardeen számára egy évi 10 000 dolláros kutatói állást. Bardeen elfogadta az ajánlatot és elhagyta a Bell Labs-ot. Az egyetemen a Villamosmérnöki és Fizikai fakultás professzora lett.

Belépése után nem sokkal két fő kutatási programot indított el, az egyiket a villamosmérnöki terület, a másikat a fizikai terület számára. A villamosmérnöki kutatási program a félvezetők elméleti és gyakorlati aspektusaival, a fizikai kutatási program pedig a makroszkópikus kvantumrendszerek, különösen a szupravezetés és a kvantumfolyadékok elméleti alapjaival foglalkozott.

A szupravezetés jelenségét először Heike Kammerlingh Onnes holland Nobel-díjas fizikus figyelte meg, amikor fémes vezetőket extrém alacsony hőmérsékletre hűtött le. Több fizikus – többek között William Thomson, azaz Lord Kelvin – véleménye az volt, hogy abszolút nulla fokon a fémek vezetőképessége teljesen megszűnik, mert az elektronok megállnak. Mások szerint viszont lecsökken az ellenállás, hiszen a mérések azt mutatták, hogy a hőmérséklet csökkentésével az elektromos vezetők ellenállása is csökken. Ezek persze nem extrém alacsony hőmérsékleten végzett kísérletek voltak, mert nem tudtak ilyen hőmérsékletet előállítani. Onnes volt az első, akinek sikerült folyékony héliumot előállítania és a folyadékot 1,5 °K-re lehűtenie. Ez volt akkor a világon a legalacsonyabb hőmérséklet, amit elértek. Onnes ezek után a folyékony héliumban hűtötte le a fémeket és mérte meg az ellenállásukat. Ekkor sikerült megfigyelnie a szupravezetés jelenségét, azaz kimérnie azt, hogy ez extrém alacsony hőmérsékleten egy adott hőmérséklet alatt közel nullára esik vissza a fémek ellenállása. A higany esetében pl. 4,9 °K-nél esett vissza az ellenállás úgy, hogy kicsivel felette még a szokásos módon viselkedett. Erre a jelenségre azonban nem volt semmilyen kézzelfogható fizikai magyarázat.

A kutatási projekt keretében Bardeen egy végzős diákkal, Bob Schriefferrel és egy posztdoktori hallgatóval, Leon Cooperrel kidolgozta a szupravezetés mikroszkópikus elméletét, ami ma Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) elméletként ismerünk. Ennek a lényege, hogy Leon Cooper felismerte, hogy az elektronok képesek párt alkotni, de csak egy-egy pillanatra, mert a köztük fellépő taszító erő igen erős és a rácsot alkotó pozitív fémionok vonzását még a hőmérséklet okozta termikus gerjesztés is gyengíti. A hőmérséklet csökkentésével azonban a termikus gerjesztés energiája csökken és amikor eléri azt a szintet, hogy az elektronpár-képződés már erősebb, mint a termikus gerjesztés energiája, akkor történik meg az ellenállás teljes lecsökkenése. Ezt a hőmérsékletet nevezzük kritikus hőmérsékletnek.

Az elmélet szerint ezek az elektronpárok – amiket Cooper-pároknak hívunk – a kritikus hőmérséklet alatt szinte teljesen szabadon tudnak mozogni az anyag kristályrácsában. A Cooper-párok ugyanis nem szorosan összekapcsolt elemek, az anyag rácsállandójánál jóval távolabb helyezkednek el. Mivel a párt alkotó két elektronnak nem lehet azonos a spinje a Pauli-elv miatt, így ezek a Cooper-párok nulla eredő spinű kvantumelemek, amiket a kvantumfizikában bozonoknak nevezünk.

A BCS elmélet szerint a Cooper-párok kötési energiája a szupravezető anyag Fermi-energiáját csökkenti. Ennek következtében a Fermi-energia felett egy tiltott energiasáv, úgynevezett gap keletkezik. Ha a Cooper-pár kötési energiája nagyobb, mint az ionrácsot jellemző hőenergia, akkor a rács nem akadályozza a Cooper-párok mozgását, így az elektronok nem veszítenek energiát. Az elmélet szerint ennek a gapnek a létrejöttével magyarázható az ellenállás nélküli vezetés.

Persze a fenti eszmefuttatás – bármilyen nehéznek is tűnik – csak egy erősen leegyszerűsített magyarázata a szupravezetésnek, a tényleges kutatási eredmények a kvantumfizikai összefüggések alapján összetett levezetések láncolataként jöttek létre, s egzakt módon bizonyítják a fenti hozzávetőleges magyarázatot.

A BCS-elmélet kidolgozásáért a három kutató – John Bardeen, Leon Cooper és John Robert Schrieffer 1972-ben megkapta a fizikai Nobel-díjat. A BCS-elmélet – bár néhány módosítással – ma is megállja a helyét.

A Nobel-díj odaítélése annak ellenére nem volt problémamentes, hogy a tudományos világtól a svéd Akadémia Nobel-díj Bizottságáig mindenki egyetértett azzal, hogy a szupravezetés elméleti magyarázata Nobel-díjat érdemel. Bardeen azonban már rendelkezett egy Nobel-díjjal és az akkori szabályok szerint egyazon szakmában csak egyszer lehetet valakit díjazni. Így a három tudós – akik közül a másik kettő még igen fiatal volt – reményüket vesztetten várakoztak a díj odaítélésére. Nem sokkal később azonban a mindössze 22 éves Brian David Josephson hatalmas felfedezést tett a szupravezetők tanulmányozása közben. A két szupravezető között elhelyezkedő vékony szigetelőrétegen létrejövő jelenségeket tanulmányozva felfedezte a szupravezető anyagok alagúteffektusát. Ennek a felfedezésnek hatalmas gyakorlati jelentősége is van, a Josephson-effektuson alapulnak egyes kvantumszámítógépek alaprendszerei. Az 1962-ben tett felfedezést szintén Nobel-díjra javasolta a svéd Akadémia Nobel-díj Bizottsága, azonban ezt sem lehetett kiadni, mert bevett szokás volt, hogy ha egy felfedezés egyértelműen egy korábbira alapul, akkor a díjat csak a korábbi felfedezés díjazása után ítélik oda. Közben még további jelöltek is előtérbe kerültek, aki ugyancsak a szupravezetés területén tettek felfedezéseket. A Nobel-díj Bizottság a várakozók sorát látva végül megváltoztatta a korábbi szabályt, így Bardeen és társai 1972-ben megkaphatták a Nobel-díjat, Brian Josephson pedig Ivar Giaverrel és Leo Esakival együtt 1973-ban vehette át a díjat.

John Bardeen ezzel már két fizikai Nobel-díj birtokosa lett, eddig ő az egyetlen fizikus, akinek ez sikerült. Van még két személy, aki két Nobel-díjat szerzett ugyanabban a kategóriában, az egyikük Frederick Sanger (1958, 1980), a másikuk pedig Karl Barry Sharpless (2001, 2022), mindketten kémiai Nobel-díjasok. Számukra már Bardeen „kitaposta az utat”, hogy megkaphassák a második Nobel-díjat is.

Az intenzív kutatómunka és az egyetemi oktatás mellett Bardeen más feladatokat is ellátott. Már 1951-ben a Xerox Corporation konzultánsa lett (akkor még Haloid Photographic Company volt a cég neve, 1961-ben keresztelték át Xerox Corporation névre). 1961-től 1974-ig az Igazgatótanács tagja volt. Emellett a General Electric Corporation konzultánsa is volt hosszú évekig és még több technológiai céget is segített tanácsaival, meglátásaival. Bardeen azonban továbbra is az Illinois at Urbana-Champaign Egyetemen maradt oktatóként és kutatóként, 1975-ben lett professzor emeritus. Még ekkor is a folyékony ³He elméletével foglalkozott, emellett tanított, hallgatókat konzultált – no és elmaradhatatlanul jelen volt a golfpályákon, ahol kedvenc játékát játszhatta.

John Bardeen 82 éves korában halt meg szívrohamban egy bostoni kórházban 1991. január 30-án. Halálakor már hat unokája volt a két fiú- és egy leánygyermekétől. Emlékére az Illinois at Urbana-Champaign Egyetemen Bardeen Quad-nak nevezték el a mérnöki oktatási épületrészt, de utcákat is neveztek el róla. 2008. március 6-án pedig az Amerikai Tudósok sorozat részeként bélyeget is adtak ki a képmásával. A Victor Stabin által tervezett négy részes, 41 centes bélyeg-sorozatban még Gerty Cori biokémikus, Linus Pauling kémikus és Edwin Hubble csillagász szerepel.


dr. Bartolits István