约翰·巴丁（美国物理学家，发现晶体管效应和超导的BCS理论）

约翰·巴丁（John Bardeen，1908年5月23日－1991年1月30日），男，美国物理学家，因晶体管效应和超导的BCS理论两次获得诺贝尔物理学奖（1956、1972年）。

人物简介

巴丁，1908年出生于美国威斯康星州的麦迪逊市，1923年进入威斯康星大学麦迪逊分校电机工程系学习，1928年取得学士学位，1929年取得硕士学位。毕业后巴丁留校担任电机工程研究助理。1930年到1933年期间，巴丁在匹兹堡海湾实验研究所从事地球磁场及重力场勘测方法的研究。1933年巴丁进入普林斯顿大学，在E.P.魏格纳的指导下研究固体物理学。1935年到1938年期间任哈佛大学研究员，并于1936年获得普林斯顿大学博士学位。1938年到1941年间，巴丁担任明尼苏达大学助理教授，1941年到1945年在华盛顿海军军械实验室工作，1945年到1951年在贝尔电话公司实验研究所研究半导体及金属的导电机制、半导体表面性能等问题。1947年和同事布拉顿发明了半导体三极管，一个月后，肖克利发明了PN结晶体管，三人因发现晶体管效应共同获得1956年诺贝尔物理学奖。

人物经历

巴丁是在同一学术领域（物理学）中获得两次诺贝尔奖金的第一位科学家。就这一事实本身，人们不难看出巴丁在科学的道路上是何等的勇于进取，和善于发挥集体的力量。在1972年他接受诺贝尔奖金时，基金会成员赞扬他们说：“……珠穆朗玛峰只有一小部分热心攀登者才能到达。巴丁、库珀、斯里弗三位在前人的基础上，终于成功地到达了这一顶峰……你们作为一支队伍，坚韧不拔，协力攻关……现在来自山顶上的那无限美好的景色终于展现在你们的眼前。”

1908年5月23日，巴丁出生于美国咸斯康星州的麦迪逊。1924年，进威斯康星大学攻读电气工程，1928年毕业，获学士学位，1929年获硕士学位后，去古尔夫研究实验室，研究地球物理学三年。在进取心的驱使下，他又去新泽西州普林斯顿大学做研究生，钻研数学和物理学。在那里，尤金·魏格纳（Eu9enewi9ne r）把他领入了固体物理学的大门，正是在这个领域里，巴丁先后两次获得诺贝尔物理学奖金。

1936年，巴丁在普林斯顿大学获物理学博士学位。1936—1938年间，在哈佛大学任教两年。1938—1941年问，在明尼苏达大学任助理教授三年。1941—1945年间，在华盛顿哥伦比亚特区的海军军械实验室工作。1945—1951年间，巴丁去纽约市R尔电话实验室，参加一个新成立的固体物理学研究小组。在那里，他和肖克利及布拉坦一起在1947年发现晶体二孤百双应。这项研究工作使他们三人获得1956年诺贝尔物理学奖金。

1951年以后，巴丁任伊利诺斯大学的物理学教授兼电气工程教授，退休后担任该校的名誉教授。在伊利诺斯大学，巴丁帮助制订了超导性和半导体的研究规划，后期的研究兴趣主要集中在低温物理学的理论方面，包括对超流体氦B的研究。1959—1962年间，任美国总统科学咨询委员会委员。1960年以后，任罗彻斯特静电复印公司的经理。他是美国国立科学院院士，美国科学促进协会、物理学会和哲学学会的会员，并曾担任过美国物理学会的主席。

由于工业上各种电子管如二极管、三极管、四极管和五极管的制造技术不断发展，在物理学中便产生了一个新的学科，叫做电子学。借助于各种电子管和适当的电路，很容易实现整流、小信号的放大和产生各种频率的无衰减的电振荡。在电子管中，在不同电极间电的输运是靠真空中的自由电子完成的。但在固体物质中，电荷的输运要复杂得多。纯金属都有很好的导电性，电荷输运是靠金属中的自由电子完成的。在半导体中，例如掺微量杂质砷（或钢）之类的N型或P型）半导体，电流是靠电子（或空穴）来传导的。后来又发现半导体在某些条件下具有很好的整流作用。对半导体现象进一步研究的结果开拓了物理学的又一重要领域，即固体物理学。由于这门学科具有明显的实用价值，所以从四十年代开始，许多工业部门和研究部门对它进行了多方面的深入研究。第二次世界大战末期，美国物理学家肖克利和布拉坦已经开始研究半导体材料及其在电子技术中应用的可能性问题。1945年，巴丁很快参加了这项工作，并在其中起了很大的作用。他提出一个关于电子行为性质的假设，指明了达到理想固体器件的途径。他们三人组成的研究小组在巴丁的这个假设下发现，与电极接触的特定排列的半导体层，如PNP或NPN排列，不但能起整流作用，而且还可以放大电流或电压。这样，他们三人终于在1947年末发明了一种半导体器件，用来代替笨重易碎且效率很低的真空管。他们将这种器件定名为“Transferre sistor9，后来缩写为“TranslstorV，中译名就是晶体三极管。晶体管的三个电极分别称为发射极、基极和集电极，在外加直流电压的作用下，发射极发射载流子（电子或空穴），这些载流子很小一部分流入基圾，绝大部分流入集电极。如果用微弱的外加信号控制基极电流，那么小的基极电流变化会引起大的案电极电流的变化，这就是晶体三极管的放大作用。晶体管比普通电子管具有一些明显的优点，例如功耗低、尺寸小、寿命长等。晶体管的出现引起了电子技术的一场大革命，出现了晶体管收音机、晶体管电视机和微型电子计算机等。这场革命一直延续到现在，从分立晶体管发展到集成电路，从小规模集成电路发展到中规模、大规模和目前的超大规模集成电路。

后来，巴丁又与库珀和斯里弗密切合作，在1957年提出BCS理论，成功地解释了几十年来许多科学家，其中至少包括五位诺贝尔物理学奖金获得者没能解释的超导现象。BCS是他们三人的姓Bardeen、Cooper和Schrieffer的字首缩写，而BCS理论就是巴丁—库珀—斯里弗理论。他们三人堪称科学史上老年科学家与青年科学家相结合的典范。1911年，荷兰人卡默林·昂尼斯（H．Kame rlingh onne s）发现超导性，某些金属在低于15开的低温下呈现一种新的性质，一旦在其中引起电流，这电流就会无休止地维持下去。超导性的理论解释十分重要，以致许多杰出的理论家都对它进行探索，这些理论家包括玻尔（N．Bohr）、海森堡（W．K．Heisenberg）、伦敦（F．London）、布洛赫（F．BIoch）、兰道（L．D．Landau）和费曼（P．Feynmann）等人在内，他们大都是诺贝尔物理学奖金的获得者。

大约在1950年，美国标准局的E．麦克斯韦（E．Maxwell）和拉特格斯大学的塞林(B．Serin）领导下的一个小组分别独立发现，某一金属出现超导性时的温度是与这个金属的原子量成反比例的。塞林打电话给巴丁，把这个发现告诉他，巴丁一听到这个消息，立即想到必需把电子—声子相互作用包含在内，即必须考虑金属晶格中的原子对传导电子的效应。但是，这些早期的尝试未能成功地解释超导性。

1956年，年仅二十六岁的伊利诺斯大学的副研究员库珀指出，金属中具有费米能级附近能量的两个电子，彼此松散地吸引对方，会形成一种共振态，叫做一个“库珀对”。下一年，巴丁和当时还是研究生的斯里弗把库珀的想法应用于多个电子，指出所有传导电子如何可以形成一种新的合作状态。按照这个模型，在金属中正常移动的自由电子是成对耦合的，并同金属晶格相互作用。这些电子对具有共同的动量，它们并不随意地受个别电子随机散射的影响，所以，有效电阻是零。自从量子理论发展以来，BCS理论被称为是对理论物理学的最重要贡献之一。由于BCS理论的指导，超导体已可以在稍高的温度下形成，制成了这样的超导合金。因此，对超导性的神话般的研究已导致种种实用成果，如超导磁铁、超导体电子计算机，功率传输线等。美国IBM公司集中了很大力量，使超导计算机得到了很大发展。

巴丁教授在二十多年前就提出了量子尺寸效应，这问题近年在美国和国际上颇受重视。他还提出利用量子尺寸效应的原理研究制造所谓的GaAs—0aAlAs多层量子5ff异质结激光器。虽然伦敦曾把超导体看作“微观尺度上的量子结构”，却是约瑟夫逊（B．Josephson）利用BCS理论来预言微观现象，并制成约瑟夫逊结。约瑟夫逊效应制成的灵敏器件可以测量电流、电压和磁场等。BCS理论的建立引起了大量更加深入的探索，由于这一贡献，三人于1972年共同获得诺贝尔物理学奖金。1980年5月，巴丁应中华人民共和国教育部和北京大学校长周培源的邀请来中国讲学。在北京大学讲学期间，作了有关“超导问题的发展和近况”、“超导计算机发展近况”以及“量子阶异质结激光器”等方面的报告。巴丁特别提到超导应用目前有大功率（兆瓦）和小功率（微瓦）两个方面，前一方面主要是超导磁体的各种应用，近年的发展比人们预期的慢；后者是超导性用于电子器件，发展比人们预期的快。

1951年，巴丁由于和肖克利不合，离开贝尔实验室，到伊利诺伊大学香槟分校任教。1950年代早期，巴丁就已经开始考虑超导电性的问题。他意识到电子与声子的相互作用是解决问题的关键。1953年，施里弗来到伊利诺伊大学，在巴丁的指导下攻读物理学博士学位，并选择超导问题作为博士论文题目。在普林斯顿高等研究院的杨振宁推荐下，刚从哥伦比亚大学获得博士学位不久的库柏开始与巴丁和施里弗进行合作。1957年，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。他们三人也因此获得1972年诺贝尔物理学奖。巴丁是一位两次获得诺贝尔物理学奖的人。

巴丁1938年与麦克斯韦结婚，婚后育有两子一女。业余时间巴丁喜欢旅游和打高尔夫球。

合作型科学家

物理学家约翰·巴丁是一个合作型科学家的典型。巴丁是唯一的一个两次获得诺贝尔物理奖的科学家。他的两次获奖项目都是与其他科学家合作的结晶。1939年凯利出任贝尔实验室半导体研究部主任，为了充实力量，他从麻省理工学院招来了肖克莱，负责半导体物理小组的工作。1945年肖克莱雇用了在海军军械实验室的固体理论物理学家巴丁。而布拉顿是一个出色的研究表面现象的实验物理学家，从1929年就开始在贝尔实验室工作。巴丁在固体量子理论上有扎实的基础，善于用理论结构解释和协调实验数据及其现象；而肖克莱长于用几何图像说明物理现象。这两位理论物理学家在固体理论上取长补短，相得益彰，适应了半导体研究对理论的全面需要，而布拉顿等人在半导体实验上成果由于巴丁在理论解释上的合作取得了重要进展。1945年肖克莱设计了晶体管和有关电路，布拉顿等进行的实验却未发现预期的电流调制作用，1946年巴丁提出了表面效应理论，克服了这个困难。1947年巴丁和布拉顿合作导致了第一个晶体管点接触晶体管的发明。肖克莱、巴丁和布拉顿3位科学家由于在晶体管的发现过程中在理论和实验方面发挥的不同作用，共同分享了1956年的诺贝尔物理学奖。

1951年巴丁离开贝尔实验室，担任伊利诺大学的教授。1955年巴丁把研究领域转向了超导研究。在进行超导研究中，巴丁意识到场论方法对求解粒子间带有吸引相互作用的费米气体多体问题，将是一种有利的工具。由于巴丁对此不够熟悉，便向当时在普林斯顿高等研究所工作的杨振宁教授求助，问他是否认识既精通场论有愿意从事超导电性的人。杨振宁推荐了正在那里作博士后研究的库珀。库珀于1955年秋到了伊利诺大学。与此同时，巴丁的一位年轻研究生施里弗也参加了进行。1956年库珀首先迈出了关键的和基础性的一步，提出了现在以“库珀对”而闻名的电子对的概念。1957年1月底，施里弗提出了超导体的基础波函数。在此基础上，1957年3人合作写作发表了论文，一个全新的揭示超导电性的微观理论就诞生了。现在人们习惯采用这个理论的3位作者各自姓氏的第一个字母，称之为BCS理论。1972年，巴丁、库珀和施里弗分享了1972年的诺贝尔物理学奖。