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約翰·巴丁

約翰·巴丁（英語：John Bardeen，1908年5月23日—1991年1月30日[3]）是一名美國物理學家和工程師。他是唯一一個兩度獲得諾貝爾物理學獎的人：第一次是在1956年與威廉·肖克利和沃爾特·布拉頓一起發明電晶體；第二次是在1972年與利昂·庫珀和約翰·施里弗一起發明被稱為BCS理論的傳統超導現象的基本理論[2][7]。

約翰·巴丁1956年和1972年諾貝爾物理學獎得主
John Bardeen
攝於1956年
出生(1908-05-23)1908年5月23日
 美國威斯康辛州麥迪遜
逝世1991年1月30日(1991歲—01—30)（82歲）
 美國麻薩諸塞州波士頓
母校威斯康辛大學麥迪遜分校（BS、MS）
普林斯頓大學PhD
知名於點接觸電晶體（英語：Point-contact transistor）
場效電晶體
BCS理論
超導現象
表面物理
變形勢能理論（英語：Carrier scattering）
巴丁形式主義
馬蒂斯-巴丁理論（英語：Mattis–Bardeen theory）
配偶簡·馬克士威（1938年結婚）
兒女詹姆斯·M·巴丁
威廉·A·巴丁
伊莉莎白·格雷塔克[1]
獎項斯圖亞特·巴蘭汀獎章（英語：Stuart Ballantine Medal）（1952）
奧利弗·巴克利獎（1954）
諾貝爾物理學獎（1956）[2]
弗里茨·倫敦紀念獎（英語：List of Fritz London Memorial Prizes）（1962）
美國國家科學獎章（1965）
IEEE榮譽獎章（1971）
諾貝爾物理學獎（1972）
皇家學會院士（1973）[3]
羅蒙諾索夫金質獎章（1987）
哈羅德·彭德獎（英語：Harold Pender Award）（1988）
科學生涯
研究領域物理學
機構貝爾電話實驗室
伊利諾大學厄巴納-香檳分校
明尼蘇達大學
論文Quantum Theory of the Work Function（1936年）
博士導師尤金·維格納[4]
博士生威廉·L·麥克米倫（英語：William L. McMillan）[4]
約翰·施里弗[4]
尼克·何倫亞克[5]
受影響自約翰·范扶累克[6]

電晶體徹底改變了電子工業，使從電話到電腦的幾乎所有現代電子設備的發展成為可能，並開創了資訊時代。巴丁在超導方面的發展使他獲得他的第二個諾貝爾獎——被用於核磁共振光譜（NMR）、醫學磁共振成像（MRI）和超導量子電路。

巴丁在威斯康辛州出生和長大，在普林斯頓大學獲得物理學博士學位。在第二次世界大戰中服役後，他曾在貝爾實驗室擔任研究員，並在伊利諾大學擔任教授。1990年，巴丁被《生活》雜誌評為「本世紀最具影響力的100位美國人」之一[8]。

生平 編輯

早年 編輯

1908年5月23日，約翰·巴丁出生在威斯康星州麥迪遜市。他是父親查爾斯·拉塞爾·巴丁（Charles Russell Bardeen）博士與母親海倫·哈默（Althea Harmer）的第2個兒子。他的父親是威斯康星大學麥迪遜分校解剖學教授和第1任醫學院院長。他的母親海倫·巴丁結婚前曾任教於杜威實驗學校（J. Dewey The laboratory school，即今日芝加哥大學實驗學校（英語：University of Chicago Laboratory Schools）），從事室內裝潢業務。結婚後她是一個藝術界活躍人物。

約翰·巴丁的很早就顯現數學才能。他的七年級數學老師鼓勵巴丁繼續進修。約翰·巴丁12歲時，母親因患癌症而病重。[9][10]

巴丁在麥迪遜市的一所大學附屬高中就讀。他也同時參加了另一所高中的額外課程。他的母親在此期間去世。1923年，他從高中畢業，時年15歲。

高等教育經歷 編輯

1923年，他考入威斯康星大學麥迪遜分校電機工程系。因為他不想像父親一樣成為學者，所以選擇了具有更好就業前景[11]的工程學。大學期間，他參加了高校兄弟會「Zeta Psi」和高校學生榮譽組織「Tau Beta Pi」。他在本科階段參加了所有自己感興趣的數理方向的碩士研究生課程。他曾花費了1年時間在芝加哥工作，結果多拖了1年才畢業。[12]1928年，巴丁獲得電氣工程理學士學位。[13]因學識積累豐富，他在威斯康辛大學升學就讀碩士1年之後（1929年），就在列歐·皮特茲（Leo J. Peters）的指導下取得了電氣工程碩士學位。[13]他的數學導師是沃倫·韋弗和愛德華·凡弗萊克。他的主要物理導師是約翰·哈斯·布勞克·凡弗萊克，保羅·狄拉克、沃納·海森堡和阿諾·索末菲也影響他很多。[13]

1929年，巴丁未能進入劍橋大學三一學院就讀，留在威斯康星大學進行研究,擔任電機工程研究助理[9]1。後來，他去了海灣石油（英語：Gulf Oil）公司的研究部門「匹茲堡大學海灣研究實驗中心」（University of Pittsburgh Applied Research Center）。[9]1930年到1933年，巴丁在那裡參與地球磁場及重力場勘測方法的研究。對工作厭倦之後，他於1933年又前往普林斯頓大學讀博士。巴丁的論文選題方向是固態物理，導師是尤金·維格納。

1935年，還在完成論文的他收到了來自哈佛才俊協會（Society of Fellows at Harvard University）的邀請，並成為其初級研究會員。1935年到1938年，他在哈佛與約翰·凡扶累克和珀西·布里奇曼等人合作研究金屬的內聚和導電性和原子核能級密度。1936年，他獲得普林斯頓大學數學物理博士學位。

加入貝爾實驗室 編輯

1938年到1941年間，巴丁擔任明尼蘇達大學助理教授，1941年到1945年在華盛頓海軍軍械實驗室工作。1945年10月，約翰·巴丁在貝爾電話公司實驗研究所研究半導體及金屬的導電機制、半導體表面性能等問題。巴丁是固態物理組的成員。組長是威廉·肖克利和化學家斯坦利·摩根（Stanley Morgan）。其他組員還包括沃爾特·布拉頓、物理學家傑拉爾德·皮爾遜（Gerald Pearson），化學家羅伯特·吉尼（Robert Gibney），電子專家希爾伯特·摩爾（Hilbert Moore）和幾個技術員。他搬家到新澤西州薩米市（英語：Summit, New Jersey）。[14]巴丁在麻薩諸塞州學校認識肖克利。巴丁在普林斯頓大學時代通過布拉頓的兄弟鮑勃·布拉頓認識了布拉頓。鮑勃·布拉頓也是普林斯頓大學的學生。無論是在實驗室或高爾夫球場，巴丁和布拉頓在週末把所有時間都放在實驗和組織理論。

該小組的任務是尋求一種固態放大器來取代易碎的真空管放大器。他們的第1個嘗試是根據肖克利的構想，使用從外部施加的電場來影響半導體的導電性。這些實驗用遍了各種材料和搭配，但是都失敗了。等到巴丁提出一種有關表面態的理論，研究才開始出現轉機。巴丁猜想半導體物質的表面存在著一種機制，能激發出一種可防止自身被外場貫穿的特殊狀態。小組於是將研究重點改為材料的表面狀態，之後幾乎每日都有長談。小組的交流氣氛很棒，眾人都能各抒己見。[15]

到1946年冬，巴丁他們已經有足夠多的研究成果，於是向《物理評論》提交了一篇關於表面態的論文。布拉頓開始研究當亮光照射在半導體表面狀態時，其表面態有何可觀察的物理變化。這項研究又多產出了幾篇論文（其中有一篇有肖克利參與），不僅能更充分地解釋他們之前實驗失敗的原因，還能估計表面態的分布密度。這些工作涉及到半導體、導線和電解質之間的點接觸（point contacts），向前邁進了一大步。

摩爾建立了一種易於調節頻率的電路，並建議使用一種不易蒸發的化學物質硼酸二醇（glycol borate，gu）。最終，當皮爾遜經肖克利的提醒[16]，在P-N結兩端的gu液滴上施加電壓時，他們發現了顯示能量已增幅的跡象。

1947年，巴丁和布拉頓發明了半導體三極體（雙極性電晶體）。一個月後，肖克利發明了P-N結電晶體。電晶體效應的發現導致三人後來共同獲得了1956年諾貝爾物理學獎。

任職伊利諾伊大學 編輯

在1951年，巴丁的朋友佛萊德·錫思幫巴丁說服伊利諾大學厄巴納-香檳分校，提供巴丁一份年薪一萬元的工作。巴丁由於和肖克利不合，接受了聘用後，離開貝爾實驗室，進入伊利諾大學香檳分校電機學院和物理學院擔任教授。巴丁建立了2個主要研究計畫，一個計畫在電機系，另一個在物理系。電機系的研究計畫是關於半導體實驗和理論，物理系的研究計畫是關於宏觀量子理論，特別是量子超導性和量子液體。他的第1個博士學生正是後來在1962年發明了LED的尼克·何倫亞克。

1950年代早期，巴丁就已經開始考慮超導電性的問題。他意識到電子與聲子的相互作用是解決問題的關鍵。1953年，約翰·施里弗來到伊利諾大學，在巴丁的指導下攻讀物理學博士學位，並選擇超導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，剛從哥倫比亞大學獲得博士學位不久的利昂·庫珀開始與巴丁和施里弗進行合作。1957年，巴丁和庫珀、施里弗共同創立了BCS理論，對超導電性做出了合理的解釋。他們三人後來也因此獲得1972年諾貝爾物理學獎。巴丁也成為第一位，也是目前為止唯一一位兩次獲得諾貝爾物理學獎的人。

巴丁在1951-1975年間非常活躍，之後更成為榮譽教授。

晚年 編輯

研究工作 編輯

個人生活 編輯

1938年，巴丁與簡·麥克斯韋（Jane Maxwell）結婚，婚後育有兩子一女。巴丁業餘時間喜歡旅遊和高爾夫球。

傳記 編輯

榮譽與獎項 編輯

紀念 編輯

 
伊利諾伊大學香檳分校校園內紀念巴丁和超導理論的紀念牌。

參閱 編輯

參考資料 編輯

文內引用 編輯

  1. ^ Elizabeth Greytak, Systems Analyst. The Boston Globe (Boston). December 25, 2000 [December 27, 2014]. （原始內容存檔於March 1, 2016）. 
  2. ^ 2.0 2.1 Bardeen Biography from the Nobel Foundation. [2023-01-20]. （原始內容存檔於2008-05-18）. 
  3. ^ 3.0 3.1 Pippard, B. John Bardeen. 23 May 1908–30 January 1991. Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society. 1994, 39: 20–34. S2CID 121943831. doi:10.1098/rsbm.1994.0002. 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 約翰·巴丁在數學譜系計畫的資料。
  5. ^ Nice Guys Can Finish As Geniuses at University of Illinois in Urbana-Champaign.. Chicago Tribune: Knight Ridder News Service. January 25, 2003 [August 3, 2007]. （原始內容存檔於2015-12-08）. 
  6. ^ Bardeen, J. Reminiscences of Early Days in Solid State Physics. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. 1980, 371 (1744): 77–83 [2023-01-20]. Bibcode:1980RSPSA.371...77B. ISSN 0080-4630. JSTOR 2990278. S2CID 121788084. doi:10.1098/rspa.1980.0059. （原始內容存檔於2023-05-11）. 
  7. ^ Hoddeson, Lillian and Vicki Daitch. True Genius: the Life and Science of John Bardeen. National Academy Press, 2002. ISBN 0-309-08408-3
  8. ^ John Bardeen, Nobelist, Inventor of Transistor, Dies. Washington Post. January 31, 1991 [August 3, 2007]. （原始內容存檔於November 2, 2012）. 
  9. ^ 9.0 9.1 9.2 True Genius: The Life and Science of John Bardeen, Joseph Henry Press, 2002.
  10. ^ 曠世奇才：巴丁傳 上海科技教育出版社 ,2007
  11. ^ Biography of John Bardeen 1. PBS. [2007-12-24]. （原始內容存檔於2011-02-20） （英語）. 
  12. ^ David Pines. John Bardeen: genius in action. physicsworld.com. 2003年5月1日 [2008年1月7日]. （原始內容存檔於2007年10月20日）. 
  13. ^ 13.0 13.1 13.2 Curriculum Vitae of John Bardeen. The Nobel Foundation. [2007年11月1日]. （原始內容存檔於2018年6月12日） （英語）. 
  14. ^ 見Hoddeson 2002，第117頁，摘錄："Soon, however, life in Summit would become easy and rich for the Bardeens."
  15. ^ 見Brattain，第127頁。
  16. ^ 見Brattain，第132頁。
  17. ^ 謝婧 (選稿). 科教社:"哲人石丛书"出版十年 四个系列86个品种. 東方網. 2009年8月5日 [2018年5月22日]. （原始內容存檔於2021年1月7日） （中文（中國大陸））. 

補充來源 編輯

外部連結 編輯


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