低调的大神!他改变了半导体产业!史上唯一两次获得诺贝尔物理奖,却几乎被人遗忘

2019-12-16 09:15:38 来源:整理自:EETOP、超级数学建模、SME科技故事

两次获得诺贝尔奖的科学家,世界上仅有这四个人!

他们是:

1. 居里夫人(Marie Curie,1867~1934),波兰科学家,他的丈夫叫皮埃尔·居里,两人合称“居里夫妇”! 1903年,居里夫妇和亨利...
2.约翰·巴丁 美国物理学家——约翰·巴丁(John Bardeen,1908~1991)...
3.莱纳斯·鲍林 美国科学家——莱纳斯·鲍林(Linus Pauling,1901~1994)...
4.弗雷德·桑格尔 英国生物化学家——弗雷德·桑格尔(Fred Sanger,1918~2013)

但两次在同一领域获得诺贝尔奖的人只有一人!那就是约翰·巴丁--唯一一位两次获得诺贝尔物理奖的物理学家!

约翰·巴丁(John Bardeen)约翰·巴丁因发明了晶体管及其相关效应、超导的BCS理论分别在1956年、1972年两次获得诺贝尔物理学奖。

1956:约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿和威廉·肖克利共同荣获1956年诺贝尔物理学奖。他们的贡献在于:1947年巴丁和布拉顿共同发明第一个半导体三极管,此后一个月,肖克莱发明PN结晶体管。

1972:约翰·巴丁、列侬·库珀、约翰·R·施里弗共同荣获1972年诺贝尔物理学奖。他们的获奖理由是:1957年共同提出低温超导理论,即通常所说的BCS理论。

中科院院士周光召曾说:“在科学史上,巴丁不像爱因斯坦那么有名,但我觉得他是真正的物理学家。”

但是巴丁实在是太低调了,拿了两次诺奖却名声不高,有人曾经提出过“巴丁数”这一概念,用于形容“谦虚程度”,等于成就比上自我吹嘘。物理学家巴哈特就说,一般人的巴丁数等于1就很不错了,而巴丁则为无穷大。

那么,约翰·巴丁到底是个怎样的人呢?

开挂的少年时代

最右为巴丁

1908年5月28日,约翰·巴丁生于美国威斯康星州,是家中五个孩子中的第二个。虽然不像高斯那般神童,但从小学起他的才能就已经显现了。才9岁刚上三年级,他就觉得功课简单得不像话,直接连跳三级,成了一名初中生。连跳三级之后,巴丁依然是班上的学霸,尤其在数学上,第二年就参加了麦迪逊市的代数竞赛,还拿了奖!到了1922年,14岁的巴丁已经完成了大学预科的学业。虽然智商超前,但作为老二,超老大太多好像不太好。于是,他陪着哥哥多读了一年高中,主修物理和数学课程。 一年之后,15岁的巴丁成了美国著名的威斯康辛大学的大一新生。虽然巴丁在物理和数学上很有天赋,但他却选择了电气工程专业。

威斯康辛大学麦迪逊分校

找到一生的挚爱,变成“妻管严”

在这里,身边进进出出都是学霸跟教授,巴丁终于找到了一些能和他愉快聊天(学习)的人。1929年获得硕士学位后,他跟随着最喜欢的教授彼得斯(Leo Peters)去了匹兹海湾研究所实验室工作。很快,巴丁凭借自己的天赋和毅力,发现了勘探石油的一种新的电磁学方法,大大提升了勘探效率。也许是按捺不住体内躁动的学霸之魂,在实验室待了三年之后,巴丁想要继续进修,打算到普林斯顿跟随爱因斯坦学习物理。当巴丁去到普林斯顿时,爱因斯坦已经不在那里了。于是,巴丁转而师从维格纳(Eugene Paul Wigner)教授学习数学物理。对巴丁来说,普林斯顿真是一块福地,事业爱情双丰收。在那里,巴丁不仅扎进了固体物理学这个让他获得两次诺奖的“坑”,更重要的是,他遇到了此生挚爱——妻子麦克斯韦。

巴丁与珍妮
 

1938年,两人喜结连理。婚前,巴丁的工作是做各种研究。婚后,巴丁的主业变成了照顾妻子儿女,副业才是做研究。视老婆如命的他,就算实验室的工作再多再忙,全家的饭菜也都是他一个人包揽。成为了一个典型的“妻管严”。

发明晶体三极管

二战结束后,在朋友的推荐下,巴丁去到贝尔实验室半导体物理组工作,研究固体物理。与著名物理学家肖克利、布拉顿成为同事。1945年4月,巴丁加入到了贝尔实验室,成为固体物理研究小组的成员。当时,肖克利(William Shockley )是小组长,组员还有布拉顿(Walter Brattain)。他此行的目的,正是要研发出全世界人民热切盼望的半导体电子器件——晶体管。

1904年史上第一个电子二极管

在晶体管还未面世时,电子管的缺点就已经暴露无遗了。虽然电子管曾推动了无线电的蓬勃发展,但其笨重、能耗大、寿命短、易出故障、难以维修等毛病,就已经十分让人厌弃了。当时,组长肖克利就提出了构造一个半导体三极管的设想,以寻求解决办法。也就是将一片金属覆盖在半导体上面,利用金属与半导体之间的电压所产生的电场来控制半导体中通过的电流。这虽然已是“结型场效应”的基本工作原理了。但不幸的是,这一理论无论做多少次实验都未能成功,而肖克利也无法解释原因。

1948年贝尔实验室,巴丁(左)、肖克利(中)、布拉顿(右)

1948年贝尔实验室,巴丁(左)、肖克利(中)、布拉顿(右)直到巴丁的加入,并提出那个至关重要的半导体表面态理论,这才解决了卡住所有人的难题。原来,在外加电场的作用下,电子被吸引到半导体的表面并被束缚在那里,形成了严密的屏蔽作用。这也阻止了电场穿透到半导体内部,因而不能形成电流。这也是为什么肖克利在实验中,一直观测不到场效应的原因。 找到谜题的答案,实验就好办多了。在这之后,他们便巧妙地借助含正负离子的电解液,改变了晶体表面电荷的分布,解决了“半导体表面态”的问题。经过几天的奋斗,巴丁和布拉顿就观测到了放大30%的输出功率和15倍的输出电压。于是,世界上第一只称为点接触晶体管的半导体放大器就这样问世了。晶体管,是20世纪当之无愧最重要的划时代发明。他将人类直接带进了数字时代,只要你能想得到的电子产品,几乎都运用了晶体管技术。

世上第一只晶体管

晶体管的发明,无疑是研究小组送给贝尔实验室最好的礼物,人人都欢欣鼓舞。

但却有一人高兴不起来,那就是肖克利。因为作为一组之长,他并没有身先士卒亲自指导,自然也没被列为专利发明家。于是,他打算趁这个成果未公布之前,背着巴丁和布拉顿,独自研究出更先进的结型晶体管。

很快,肖克利也设计出了结型晶体管,并在1955年脱离了贝尔实验室,自立门户成立了“肖克利半导体实验室”。

当时,肖克利凭着“晶体之父”的名气,吸引来了一批聪明又富有激情的年轻人,在硅谷开天辟地,甚至被称为“硅谷之父”。只是因为傲慢专横的个性,那些斗志昂扬的年轻人都纷纷离他而去,这便是历史上的“硅谷八叛逆”。这“八叛逆”包括了后来仙童半导体、因特尔公司的创始人诺伊斯和摩尔等。而肖克利却在那10年实业生涯里什么都没捞到,只能回到大学校园。

当初为了不让巴丁和布拉顿再参与晶体管的后续发展工作,肖克利还利用自己的行政权,直接将他们踢出了研究小组。

此外,在这个成果公布之时,傲慢的肖克利也极力突出自己的成就,冷落了一旁的巴丁和布拉顿。

所以这也导致了一个现象,只要提起晶体管,人们第一时间想起的总是张扬的肖克利,而不是巴丁或布拉顿。当然,温和的巴丁本人也什么都没说,就离开贝尔实验室,退出了这场晶体管争夺战。

晶体管发明9年之后,约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿和威廉·肖克利共同荣获1956年诺贝尔物理学奖。

颁奖当天当差不多满世界的人都知道了获得诺奖的消息后,而此时的巴丁一无所知,像平时一样在厨房为家人煎鸡蛋。

小女儿兴冲冲地跑进厨房大喊:“爸爸你获得了诺贝尔奖!”

巴丁吓了一跳手一抖,锅和鸡蛋“啪”地掉在了地上。

得知获奖消息之后,巴丁在给朋友的信中写道:

“我怀疑委员会中的很多人都不确信这项技术值得获奖。我自己也感到怀疑。”

世界上第一个晶体管获奖的消息,让巴丁身边的人们开始关注这个沉默低调的男人。有天晚上,一班物理学家和夫人自发组织拿着手电筒当火炬高歌祝贺巴丁,巴丁赶紧制止他们,“你们轻一点,别吵到我太太睡觉。”

巴丁的“妻管严”是出了名的,连报纸的头版头条都是:“本地一女子的丈夫获得诺贝尔奖”。

可以想象如果没有晶体管的发明,就不会有后来的集成电路,就不会有现在的袖珍电脑、手机等智能设备。凭借自身优越的性能,开创了全新的电子领域,成为了与印刷术、汽车和电话相提并论的伟大发明。改变了半导体产业发展脉络。

晶体管取得成功后,这位宠妻狂魔并没有停下自己研究的脚步,他又开始跨界捣鼓起了超导现象。

投入超导研究,再次获得诺贝尔奖

其实离开贝尔实验室,对巴丁本人来说或许才是最好的选择。

当时世界上很多著名的科学家,像爱因斯坦和费曼这些大牛,都在试图解释超导现象。很多人都接近成功,但还是没有人能够真正解释。

1957年,也就是获得诺奖的一年后,巴丁和库珀、施里弗共同创立了BCS理论,对超导电性做出了合理的解释,震惊了整个物理学界。

他们完整地解释了为什么有些材料在一定温度下电阻可以变为0的原因,为之后制造更精密的实验仪器、坐上磁悬浮列车奠定了理论基础。利昂·库珀(Leon Cooper)和罗伯特·施里弗(Robert Schrieffer)

1972年10月20日清晨,一个来自瑞典的越洋电话吵醒了熟睡的巴丁,因为超导性研究,巴丁再次获得诺贝尔物理学奖。

巴丁也成为了第一位获得两次诺贝尔物理学奖的科学家。

巴丁领奖现场

巴丁不仅低调,还非常谦逊。因为两次获奖都是与他人共同分享的,所以巴丁曾开玩笑说,自己其实只是获得了三分之二的诺贝尔奖。

巴丁觉得自己不过是一个平常人,一个懂点物理,希望与老婆白头偕老的平常人。

(本文整理自:EETOP、超级数学建模、SME科技故事、互联网)

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