جان باردین، مخترع ترانزیستور و برنده دو جایزه نوبل فیزیک

امروز ۴ نوامبر به بهانه ی اختراع ترانزیستور زندگینامه جان باردین مخترع این ابزار تحول دنیای تکنولوژی را با هم مرور می کنیم.

جان باردین، مخترع ترانزیستور و برنده دو جایزه نوبل فیزیک

جان باردین از پیش‌گامان صنعت الکترونیک در قرن بیستم بود که به‌همراه چند دانشمند دیگر، محصول انقلابی ترانزیستور را به دنیای فناوری معرفی کرد.

(John Bardeen)، مهندس برق و فیزیک‌دان آمریکایی بود که دو بار موفق به دریافت جایزه‌ی نوبل شد. او اولین فردی محسوب می‌شود که به این افتخار نائل شده است. اولین جایزه‌ی نوبل باردین در سال ۱۹۵۶ و به‌صورت مشترک با ویلیام شاکلی و والتر براتین به‌خاطر اختراع ترانزیستور اهدا شد. جایزه‌ی دوم، در سال ۱۹۷۲ و به‌صورت مشترک با لئون کوپر و جان رابرت شریفر به‌خاطر نظریه‌ی ابررسانایی (موسوم به نظریه‌ی BCS) به‌دست آمد.

اختراع باردین و دیگر دانشمندان را می‌توان عنصر پایه‌ای انقلاب در صنعت الکترونیک دانست. ترانزیستور، قطعه‌ای بود که توسعه‌ی همه‌ی دستاوردهای مدرن دنیای امروز از تلفن تا کامپیوتر و دیگر محصولات مهم را ممکن کرد. بسیاری از مورخان، ترانزیستور را شروع‌کننده‌ی عصر ارتباطات می‌دانند. دستاورد دوم باردین یعنی نظریه‌ی ابررسانایی هم تأثیرات عمیقی بر دنیای علم داشت. امروز از این پایه‌ی علمی در مواردی همچون طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی هسته‌ای و همچنین تصویربرداری MRI استفاده می‌شود.نیک در قرن بیستم بود که به‌همراه چند دانشمند دیگر، محصول انقلابی ترانزیستور را به دنیای فناوری معرفی کرد.

 

تولد و تحصیل

جان باردین در ۲۳ مه سال ۱۹۰۸ در مدیسون ویسکانسین به‌دنیا آمد. تاریخچه‌ی خانواده‌ی او، ریشه‌های علمی و آکادمیک و ملی‌گرایی قوی دارد. پدر او، چارلز راسل باردین نام داشت و از فارغ‌التحصیلان دانشگاه پزشکی جان هاپکینز بود. چارلز دانشگاه پزشکی ویسکانسین را تأسیس کرد و به‌عنوان اولین مدیر آن مشغول به کار شد. مادر جان، آلتی هارمر نام داشت و فارغ‌التحصیل رشته‌ی هنر از دانشگاه‌های نیویورک و شیکاگو بود. او تحصیلات خود را در رشته‌ی اقتصاد خانه ادامه داد و سپس در دبیرستان اختصاصی دانشگاه شیکاگو به تدریس همین رشته مشغول شد.

سال‌های ابتدایی زندگی و تحصیل جان و تمامی خواهر و برادرهایش در مدیسون گذشت. مادر او برای جلوگیری از خستگی و دلزدگی‌اش در تحصیل در مدرسه، آموزش خصوصی را برای پسرش پیش گرفت. جان در ۹ سالگی موفق به اتمام کلاس هشتم شد و به دبیرستان دانشگاهی دانشگاه ویسکانسین رفت. پدر جان هم تأثیر عمیقی در پیشرفت‌های علمی و تحصیلی او داشت. در دوران اپیدمی آنفولانزا در سال ۱۹۱۸ که تحصیل تا حدودی متوقف شده بود، جان به‌ کمک پدرش مسائل ریاضی را در خانه حل می‌کرد. به‌علاوه او یک آزمایشگاه خانگی داشت که چارلز، نمونه‌ها و تجهیزات لازم را برای آزمایش شیمی در آن برایش فراهم می‌کرد.

مادر جان در سال ۱۹۲۰ و پیش از ۱۲ سالگی او به‌خاطر سرطان سینه از دنیا رفت. او تحصیلات خود را با قدرت ادامه داد و در ۱۳ سالگی کلاس‌های دبیرستان را به پایان رساند. جان هنوز برای ورود به دانشگاه جوان بود و به‌همین دلیل دو سال آن را به تعویق انداخت. در طول این دو سال، دوره‌های آموزش و تحقیق متفرقه در رشته‌ی ریاضیات و در دبیرستان مرکزی مدیسون انجام شد. جان در نهایت برای تحصیلات دانشگاهی به دانشگاه ویسکانسین رفت.

مهندسی برق، رشته‌ای بود که برای شروع تحصیلات دانشگاهی از سوی جان انتخاب شد. او در این رشته‌ی تحصیلی تخصص بالایی کسب کرد و به‌مرور به مفاهیم مکانیک کوانتوم هم علاقه‌مند شد. در آن سا‌ل‌ها جان ون ولک، استاد مکانیک کوانتوم در دانشگاه ویسکانسین بود. جان در کلاس‌های ولک شرکت می‌کرد و سمینارهای تحقیقاتی او را نیز از دست نمی‌داد. بااین‌حال دانشجوی جوان هنوز برای تبدیل‌شدن به یک فیزیک‌دان حرفه‌ای آماده نبود.

جان باردین با وجود علاقه‌ی فراوان به مکانیک کوانتوم و مفاهیم فیزیکی، تحصیلات دانشگاهی را در همان رشته‌ی برق ادامه داد. استاد او در دوره‌ی تحصیلات تکمیلی، لئو جی پیترز بود که پایان‌نامه‌ی جان را در موضوع اکتشاف نفت به کمک الکتریسیته هدایت کرد. پیترز پس از مدتی دانشگاه ویسکانسین را به مقصد آزمایشگاه‌های تحقیقاتی گلف در پیتسبورگ ترک کرد و جان نیز تصمیم به تغییر مسیر تحقیقات گرفت. او بررسی نظریه‌ای در ارتباط با آنتن‌ها را به‌عنوان موضوع تحقیق و تحصیل انتخاب کرد که البته درنهایت جذابیت خاصی برایش نداشت.

آزمایشگاه‌ تحقیقیاتی گلف، مقصد بعدی مطالعات جان بود. او به استاد قدیمی‌اش ملحق شد و اکتشاف با استفاده از فناوری‌های الکترومغناطیس، بار دیگر به موضوع فعالیت‌های علمی‌اش تبدیل شد. باردین از تجربه‌ی فعالیت در آزمایشگاه گلف لذت می‌برد، اما ژئوفیزیک هیچ‌گاه آن‌طور که باید و شاید موضوع تمرکز او نبود. او بیش از همه‌ به شرکت در سمینارهای تحقیقاتی فیزیک مدرن در دانشگتاه پیتسبورگ علاقه‌مند بود. درنهایت جان در سال ۱۹۳۳ تصمیم گرفت تا از موقعیت امن خود در آزمایشگاه گلف خارج شود و با وجود بحران اقتصادی آن سال‌ها، مسیر علمی و زندگی خود را به سمت دانشگه پرینستون تغییر دهد. باردین پیش از ترک پرینستون با جین مکسول آشنا شد که بعدها با او ازدواج کرد؛ ازدواجی که به ۵۵ سال زندگی مشترک انجامید.

تحقیق و تحصیل در دانشگاه پرینستون، پایه‌های علمی و تحقیقاتی جان را در رشته‌ی فیزیک تثبیت کرد. یکی از دوستان او به‌نام فردریک سیتز در آن دانشگاه، اولین دانشجوی یوجین واینر بود. جان نیز مسیر دوستش را ادامه داد و تحصیل تحت راهنمایی واینر را انتخاب کرد. سیتز و باردین به‌همراه کانیرز هرینگ، دانشجوی سوم واینر و گروهی از دانشجویان جان اسلیتر از دانشگاه MIT، اولین نسل از فیزیک‌دان‌ها نظری آمریکا بودند که با هدف پیاده‌سازی مکانیک کوانتوم در کاربردهای واقعی فیزیکی و اجسام صلب تحصیل می‌کردند.

واینر و سیتز در سال ۱۹۳۳ تحقیقات خود را متمرکز بر عنصر سدیم پیش می‌بردند. آن‌ها روشی ابتدایی و تقریبی برای محاسبه‌ی ساختارهای اتصالی این عنصر کشف کردند. باردین هم در مسیر تحقیقات آن‌ها، دستاوردهای تحقیقاتی خود در حوزه‌ی فلزات را دخیل کرد. او قبلا روشی برای اندازه‌گیری انرژی مورد نیاز با هدف جداکردن یک الکترون از سطح فلز، تدوین کرده بود. باردین برای فرایند تحقیقاتی خود، هر الکترون را با استفاده از یک تابع موجی استفاده می‌کرد. او سپس برای تقریب زدن توزیع الکترون‌ها در سطح فلز، هر الکترون را با یک تابع موجی تعریف کرد. باردین در سال‌های بعد گفته بود که روش تجزیه‌ی مسائل به اجزاء اولیه‌ی تشکیل‌دهنده را برای اولین‌بار از واینر آموخت.

تحقیقات پیشرفته‌ی فیزیکی

جان در سال ۱۹۳۵ مصاحبه‌ای شفاهی با مدیران ارشد انجمن علمی دانشگاه هاروارد داشت. او با وجود عملکرد نه‌چندان مناسب در پرسش و پاسخ شفاهی، در همان سال به عضویت ابتدایی انجمن دعوت شد. باردین سه سال به تحقیق و مطالعه در هاروارد پرداخت و موضوعات مرتبط با اتصال الکترون‌ها، بخش اصلی فعالیت‌های علمی‌اش را تشکیل می‌دادند. دنیای فیزیک در آن زمان هنوز ابزارهای نظری کاملی برای تحلیل مسائل مورد نظر باردین را نداشت و به‌همین دلیل در بسیاری از فعالیت‌های علمی خسته و سرخورده می‌شد. ابزارهای مورد نیاز او پس از جنگ جهانی دوم به‌مرور به علم فیزیک افزوده شدند.

یکی از افراد تأثیرگذار در زندگی باردین در دوران تحقیق در هاروارد، دانشمند فیزیک کاربردی به‌نام پرسی بریجمن بود. او بیش از همه با مطالعات پیش‌گامانه‌ی فیزیک مواد تحت فشار بالا شناخته می‌شد. بریجمن از پیش‌گامان توسعه‌ی فلسفه‌ی Operationalism هم محسوب می‌شد که در تاریخ علم، مرتبط با توسعه‌ی نظریه‌ی نسبیت اینشتین شناخته می‌شود. باردین از ترکیب نظریه‌ی کوانتوم با داده‌های بریجمن دستاوردهای قابل‌توجهی داشت. به‌همین دلیل او در سال‌های آتی زندگی علمی خود، همکاری با یک دانشمند تجربی را همیشه مد نظر قرار می‌داد.

یکی از اساسی‌ترین مسائل تحقیقی باردین در دانشگاه هاروارد، مفهوم ابررسانایی بود که او در آن سال‌ها موفق به ارائه‌ی توضیحی دقیق و کامل از آن نشد. ابررسانایی در تعریف ساده یعنی از دست دادن کامل مقاومت الکتریکی در برخی از فلزات و آلیاژها که پس از کاهش دما به پایین‌تر از حدی مشخص رخ می‌دهد. در دهه‌های ۱۹۲۰ و ۱۹۳۰ نظریه‌های متعددی پیرامون ابررسانایی مطرح شده بود که همگی از نتایج توسعه‌ی مفاهیم مکانیک کوانتوم بودند. البته همه‌ی نظریه‌ها در اثبات دقیق مفهوم مذکور ناموفق بودند.

جان باردین در سال ۱۹۴۱ تصمیم گرفت تا دانش خود را در خدمت نیروهای متفقین در جنگ جهانی دوم قرار دهد. او در سال ۱۹۴۱ خانواده‌ی خود را به واشنگتن برد تا در آزمایشگاه Naval Ordance به تحقیق پیرامون سیستم‌های دفاعی در برابر اسلحه‌های مغناطیسی ارتش نازی بپردازد. باردین در آن سال‌ها سه فرزند داشت که بعدها همه‌ی آن‌ها به حوزه‌های علمی وارد شدند. جیمز و ویلیام تحقیقات فیزیک را در پیش گرفتند و بتسی نیز به حوزه‌ی پردازش وارد شد.

مرکز آزمایشگاهی بل و اختراع ترانزیستور

فعالیت در مراکز تحقیقاتی ارتش پس از مدتی باردین را دلزده کرد. او از ساختارهای بروکراتیک نظامی و همچنین دور ماندن از موضوع اصلی تحقیقات فیزیکی خود خسته شد. به محض تمام شدن جنگ، دانشمند آمریکایی به ادامه‌ی مطالعات فیزیک بنیادی پرداخت. در آن سال‌ها شاکلی مدیر یک گروه تحقیقاتی در بل لبز بود که در حوزه‌ی فیزیک حالت جامد فعالیت می‌کردند. باردین به عضویت در این گروه دعوت شد و به مرکز آزمایشگاهی بل رفت.

گروهی که باردین در آزمایشگاه بل به آن ملحق شد، بخشی از یک دپارتمان جدید متمرکز بر فیزیک حالت جامد بود که معاون ارشد آزمایشگاه، ماروین کلی آن را تأسیس کرد. گروه جدید که پیرامون نیمه‌هادی‌ها مطالعه می‌کردند، متشکل از دو فیزیک‌دان نظری یعنی باردین و شاکلی، دو فیزیک‌دان تجربی به‌نام‌های والتر براتین و جرالد پیرسون، یک شیمی‌دان به‌نام رابرت گیبنی و یک متخصص مدار به‌نام هلیبرت مور بود.

یکی از اهداف اصلی گروه تحقیقاتی شاکلی در بل لبز، جایگزینی لامپ‌های خلأ با قطعاتی جدید بود. لامپ‌ها قطعات اصلی توسعه‌ی فناوری تلفن در دهه‌های ۱۹۲۰ و ۱۹۳۰ بودند که باید در گروه جدید با فناوری نیمه‌هادی جایگزین می‌شدند. باردین مطالعاتی روی تحقیقات زمان جنگ با موضوع سیلیکون و ژرمانیم داشت. در زمان جنگ جهانی دوم، نیمه‌هادی‌ها برای سیستم‌‌های راداری توسعه یافته بودند و منابع تحقیقی برای توسعه‌ی کاربرد آن‌ها آماده شده بود.

شاکلی تحقیقاتی را روی یک آمپلی‌فایر اثر میدانی سیلیکونی انجام داد. او پس از ملحق‌شدن باردین به تیمش از همکار جدید درخواست کرد تا طراحی جدیدی برای کاربردی کردن طراحی‌های اولیه انجام دهد. اولین نتایج طراحی باردین موفق نبودند، اما او پس از پنج ماه، به مفهومی برای توضیح دلیل شکست دست پیدا کرد. نظریه‌ی باردین ادعا می‌کرد که تعداد قابل‌توحهی از الکترون‌ها در سطح فلز گرفتار می‌شوند و درنتیجه تأثیر زیادی در رسانایی نخواهند داشت. شاکلی علاقه‌ی زیادی به این تحقیقات نشان داد و فعالیت گروهش در دو سال آینده، به مفهوم حالت‌های سطح اختصاص یافت.

ماه نوامبر سال ۱۹۴۷ به‌عنوان شروع دوره‌ی طلایی اختراع ترانزیستور شناخته می‌شود. در آن زمان، گروه شاکلی هنوز درگیر مطالعه‌ی حالت‌های سطح بود. براتین در جریان تحقیقات کاربردی خود متوجه یک قطره آب شد که روی دستگاه آزمایش تشکیل شده بود. این قطره، مشکلات عملکردی مغناطیسی برای دستگاه ایجاد کرد که منجر به آزمایش‌های دیگر از سوی براتین شد. او دستگاه آزمایش را در میعانات متعدد وارد کرد و به این نتیجه رسید که اثر فتوولتایی مورد مطالعه‌اش، در زمان ورود دستگاه به مایع الکترولیت افزایش می‌یابد.

باردین پس از موفقیت تیمش در ارائه‌ی نظریه‌ی BCS، به استاد بزرگ و قابل احترام دانشکده‌ی فیزیک دانشگاه ایلی‌نوی تبدیل شد. او اکثر روزهای خود را به مشاوره به همکاران و دانشجویان اختصاص می‌داد و به‌خاطر تجربه‌ی بالا در علم فیزیک، اغلب راهکارهایی کاملا دقیق و کاربردی ارائه می‌کرد.

افتخار دوم باردین پس از جایزه‌ی نوبل، در سال ۱۹۶۵ اتفاق افتاد و لیندون جانسون، رئیس‌جمهور وقت آمریکا، مدال ملی علوم را به‌عنوان بزرگ‌ترین افتخار دستاورد علمی به او اهدا کرد. باردین در آن زمان نگران بود که آکادمی علوم سوئد به رسم همیشگی از اهدای جایزه‌ی مجدد در یک حوزه خودداری کند و درنتیجه دستاوردها و تلاش‌های شیفر و کوپر نیز ارج نهاده نشوند. البته در سال ۱۹۷۲ انجمن داوران جایزه‌ی نوبل، رسم همیشگی را شکست و جایزه‌‌ای مشترک را به‌خاطر تألیف نظریه‌ی ابررسانایی به شریفر، کوپر و باردین اهدا کرد.

باردین دو سال پس از دریافت جایزه‌ی نوبل دوم، از فعالیت‌های تدریس بازنشسته شد. البته او فعالیت‌های تحقیقاتی را باجدیت دنبال می‌کرد و همیشه برای پاسخ‌دادن به سؤال‌های دانشجویان و انواع مشاوره‌های علمی آماده بود.

مخترع ترانزیستور در سال‌های فعالیت در ایلی‌نوی، علاوه بر تحقیق و تدریس به‌عنوان مشاور علمی انجمن‌های ملی متعدد فعالیت می‌کرد؛ به‌عنوان مثال می‌توان به فعالیت در دفتر تحقیقات نیروی دریایی (ONR) در سال ۱۹۵۱ اشاره کرد. به‌علاوه او از سال ۱۹۵۹ تا ۱۹۶۳ در کمیته‌ی مشاوره‌ی علمی رئیس‌جمهور آمریکا (PSAC) در زمان ریاست جمهوری آیزنهاور و بعدا کندی فعال بود. او در سال ۱۹۶۸ به‌عنوان رئیس انجمن فیزیک آمریکا (APS) انتخاب شد.

سال‌های پایانی و مرگ

جان باردین در دهه‌ی ۱۹۸۰ تمرکز اصلی تحقیقات خود را روی مفاهیم مکانیک کوانتومی معطوف کرده بود و تلاش می‌کرد تا برخی از آن‌ها همچون CDW را شبیه به نظریه‌ی ابررسانایی اثبات کند. البته تلاش‌های او با نظریه‌های مخالف از سوی دانشمندان دیگر روبه‌رو شد و باردین توانایی اثبات نظریه‌هایش را در مجامع علمی پیدا نکرد. به‌هرحال مخترع ترانزیستور تا پایان عمر به نظریه‌های خود اصرار می‌کرد و مفاهیم CDW را مثال‌هایی عالی از مکانیک کوانتوم در سطح ماکروسکوپی می‌دانست.

دوستی باردین با هولونیاک در دهه‌ی ۱۹۸۰، مانند پادزهری بود که شکست آن سال‌ها را تاحدودی برایش درمان می‌کرد. او به نصیحت‌های دوست دانشمندش عمل کرد و از میانه‌ی دهه‌ی ۱۹۸۰، بیشتر به استراحت و تفریح مشغول شد. منتهی شرایط سلامتی باردین در سال‌های پایانی آن دهه رو به وخامت رفت و چشمانش به دژنراسیون ماکولا مبتلا شدند. به‌علاوه باردین از بیماری نقرس هم رنج می‌برد و توانایی انجام تفریح مورد علاقه‌اش، گلف را نداشت. با وجود این او در سال ۱۹۸۷ و انتشار خبری پیرامون کشف ابررسانایی در دمای بسیار بالا، مانند بسیاری دانشمندان دیگر به نظریه‌پردازی مشغول شد تا توجیهی علمی برای پدیده‌ی مذکور ارائه کند.

در ماه دسامبر سال ۱۹۹۰، آزمایشی روی ریه و سینه‌ی باردین انجام شد که شیوع سرطان را در بدن او تأیید کرد. پزشک معالج پیشنهاد رادیودرمانی داد، اما باردین در ۳۰ ژانویه‌ی سال ۱۹۹۱، پیش از انجام هرگونه عمل درمانی، بر اثر حمله‌ی شدید قلبی از دنیا رفت. خاکستر او به محل زادگاهش رفت و در مدیسون به خاک سپرده شد. همسرش جین در ۳۱ مارس سال ۱۹۹۷ از دنیا رفت.

سهم عمده‌ای از نوشته‌های علمی و خانوادگی باردین توسط ویلیام و مارجری باردین در وارن‌ویل ایلی‌نوی نگه‌داری می‌شود. بسیاری از یادداشت‌های علمی او نیز در آرشیو دانشگاه ایلی‌نوی در اربانا ایلی‌نوی قرار دارند. دفترچه‌های باردین در بل لبز اکنون تحت مالکیت Lucent Technologies هستند.