約翰・巴丁

約翰・巴丁（John Bardeen，）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・施裡弗一起發明被稱為 BCS 理論的傳統超導現象的基本理論。

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裝置的發展成為可能，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。

生平

1.1 早年

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），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。

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。

1.2 高等教育經歷

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。1928 年，巴丁獲得電氣工程理學士學位。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。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。

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 1。後來，他去了海灣石油公司的研究部門 “匹茲堡大學海灣研究實驗中心”（University of Pittsburgh Applied Research Center）。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，併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。

1.3 加入貝爾實驗室

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、半導體表面效能等問題。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。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透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。

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佈密度。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，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。

1.4 任職伊利諾伊大學

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 年發明瞭 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・施裡弗來到伊利諾大學，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裡弗進行合作。1957 年，巴丁和庫珀、施裡弗共同創立了 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。

1.5 晚年

1.6 研究工作

個人生活

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

year=2002}}
漢譯版： |language=zh-cn |orig-year=2002 |year=2007}}

榮譽與獎項

紀念

參閱

電晶體
BCS 理論