جون باردين

في أكتوبر 1945، بدأ باردين العمل في مختبرات بيل للهواتف كعضو في فريق فيزياء الحالة الصلبة بقيادة ويليام شوكلي والكيميائي ستانلي مورغان. وضم الفريق أيضاً والتر براتين ، والفيزيائي جيرالد بيرسون ، والكيميائي روبرت جيبني، وخبير الإلكترونيات هيلبرت مور، بالإضافة إلى عدد من الفنيين. ثم انتقل باردين مع عائلته إلى سوميت، نيو جيرسي . ^{[ 13 ]}

كانت مهمة المجموعة البحث عن بديل صلب لمضخمات الصمامات المفرغة الزجاجية الهشة . استندت محاولاتهم الأولى إلى أفكار شوكلي حول استخدام مجال كهربائي خارجي على أشباه الموصلات للتأثير على موصليتها. باءت هذه التجارب بالفشل الغامض في كل مرة، مهما اختلفت التكوينات والمواد. توقف عمل المجموعة حتى اقترح باردين نظرية تستند إلى حالات سطحية تمنع المجال من اختراق أشباه الموصلات. حوّلت المجموعة تركيزها لدراسة هذه الحالات السطحية، واجتمعت بشكل شبه يومي لمناقشة العمل. كانت العلاقة بين أعضاء المجموعة ممتازة، وتبادلوا الأفكار بحرية. ^{[ 14 ]} بحلول شتاء عام 1946، كانت لديهم نتائج كافية دفعت باردين إلى تقديم ورقة بحثية حول الحالات السطحية إلى مجلة " فيزيكال ريفيو" . بدأ براتين تجارب لدراسة الحالات السطحية من خلال الملاحظات التي أجراها أثناء تسليط ضوء ساطع على سطح أشباه الموصلات. أدى ذلك إلى نشر عدة أوراق بحثية أخرى (إحداها بالاشتراك مع شوكلي)، والتي قدّرت كثافة الحالات السطحية بأكثر من كافية لتفسير فشل تجاربهم. تسارعت وتيرة العمل بشكل ملحوظ عندما بدأوا بتغليف نقاط التلامس بين أشباه الموصلات والأسلاك الموصلة بمواد إلكتروليتية . بنى مور دارة كهربائية سمحت لهم بتغيير تردد إشارة الإدخال بسهولة، واقترح استخدام جليكول بورات (gu)، وهي مادة كيميائية لزجة لا تتبخر. وأخيرًا، بدأوا في الحصول على بعض الأدلة على تضخيم الطاقة عندما قام بيرسون، بناءً على اقتراح من شوكلي، ^{[ 15 ]} بتطبيق جهد كهربائي على قطرة من gu موضوعة عبر وصلة p-n .

بحلول عام ١٩٥١، كان باردين يبحث عن وظيفة جديدة. أقنع فريد سيتز، صديق باردين، جامعة إلينوي بتقديم عرض عمل لباردين براتب ١٠٠٠٠ دولار سنويًا. قبل باردين العرض وغادر مختبرات بيل، ^{[ ١٦ ]} وانضم إلى كليتي الهندسة والفيزياء في جامعة إلينوي عام ١٩٥١، حيث شغل منصب أستاذ الهندسة الكهربائية وأستاذ الفيزياء. ^{[ ١٧ ]}

في جامعة إلينوي، أسس باردين برنامجين بحثيين رئيسيين، أحدهما في قسم الهندسة الكهربائية والآخر في قسم الفيزياء. تناول البرنامج البحثي في ​​قسم الهندسة الكهربائية الجوانب التجريبية والنظرية لأشباه الموصلات، بينما تناول البرنامج البحثي في ​​قسم الفيزياء الجوانب النظرية للأنظمة الكمومية العيانية، ولا سيما الموصلية الفائقة والسوائل الكمومية. ^{[ 18 ]}

كان باردين أستاذاً نشطاً في جامعة إلينوي من عام 1951 إلى عام 1975، ثم أصبح أستاذاً فخرياً . ^{[ 5 ]} وفي أواخر حياته، ظل باردين نشطاً في البحث الأكاديمي، حيث ركز خلال تلك الفترة على فهم تدفق الإلكترونات في موجات كثافة الشحنة (CDWs) عبر مركبات السلاسل الخطية المعدنية. وقد قوبلت مقترحاته ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]} بأن نقل الإلكترونات عبر موجات كثافة الشحنة هو ظاهرة كمومية جماعية (انظر: الظواهر الكمومية العيانية ) في البداية بالتشكيك. ^{[ 22 ]} ومع ذلك، تُظهر التجارب التي نُشرت في عام 2012 ^{[ 23 ]} تذبذبات في تيار موجات كثافة الشحنة مقابل التدفق المغناطيسي عبر حلقات ثلاثي كبريتيد التنتالوم، على غرار سلوك أجهزة التداخل الكمومي فائقة التوصيل (انظر: جهاز التداخل الكمومي فائق التوصيل وتأثير أهارونوف-بوم )، مما يُعزز فكرة أن نقل الإلكترونات الجماعي عبر موجات كثافة الشحنة هو كمومي في جوهره. ^{[ 24 ] [ 25 ]} (انظر ميكانيكا الكم .) واصل باردين أبحاثه طوال فترة الثمانينيات، ونشر مقالات في Physical Review Letters ^{[ 26 ]} و Physics Today ^{[ 27 ]} قبل أقل من عام من وفاته.

تحتفظ محفوظات جامعة إلينوي بمجموعة من أوراق باردين الشخصية. ^{[ 28 ]}

في 23 ديسمبر 1947، كان باردين ووالتر براتين يعملان بدون ويليام شوكلي عندما نجحا في ابتكار ترانزستور ذي نقطة تلامس يحقق التضخيم. وبحلول الشهر التالي، بدأ محامو براءات الاختراع في مختبرات بيل العمل على طلبات براءات الاختراع. ^{[ 16 ]}

سرعان ما اكتشف محامو مختبرات بيل أن مبدأ تأثير المجال لشوكلي قد تم توقعه وحصل على براءة اختراع في عام 1930 بواسطة جوليوس ليليينفيلد ، الذي قدم براءة اختراعه الشبيهة بـ MESFET في كندا في 22 أكتوبر 1925. ^{[ 29 ]}

نسب شوكلي لنفسه علنًا الفضل الأكبر في اختراع الترانزستور، مما أدى إلى تدهور علاقة باردين به. ^{[ 30 ]} مع ذلك، حرصت إدارة مختبرات بيل على تقديم المخترعين الثلاثة كفريق واحد. في نهاية المطاف، أثار شوكلي غضب باردين وبراتين، مما أدى إلى نفورهما منه ومنعهما فعليًا من العمل على ترانزستور الوصلة. بدأ باردين في البحث عن نظرية الموصلية الفائقة وغادر مختبرات بيل عام 1951. رفض براتين العمل مع شوكلي مجددًا، وتم نقله إلى مجموعة أخرى. لم يكن لباردين أو براتين دور يُذكر في تطوير الترانزستور بعد السنة الأولى من اختراعه. ^{[ 31 ] [ 32 ]}

كان الترانزستور (وهو مصطلح مركب من كلمتي "التوصيلية" و"المقاومة") أصغر بمقدار 1/50 من حجم الصمامات المفرغة التي حل محلها في أجهزة التلفزيون والراديو، وكان يستهلك طاقة أقل بكثير، وكان أكثر موثوقية بكثير، كما سمح للأجهزة الكهربائية بأن تصبح أكثر إحكاما. ^{[ 5 ]}

في عام 1956، مُنح باردين وبراتين وشوكلي جائزة نوبل في الفيزياء بشكل مشترك "لأبحاثهم حول أشباه الموصلات واكتشافهم لتأثير الترانزستور". ^{[ 33 ]}

في عام 1957، اقترح باردين، بالتعاون مع ليون كوبر وطالبه في الدكتوراه جون روبرت شريفر ، النظرية القياسية للموصلية الفائقة المعروفة باسم نظرية BCS (التي سميت نسبة إلى الأحرف الأولى من أسمائهم). ^{[ 5 ]}

في عام 1972، مُنح باردين وكوبر وشريفر جائزة نوبل في الفيزياء مناصفةً "لنظريتهم المشتركة في الموصلية الفائقة، والتي تُعرف عادةً بنظرية BCS". ^{[ 34 ]} وكانت هذه ثاني جائزة نوبل يحصل عليها باردين في الفيزياء؛ ليصبح بذلك أول شخص يفوز بجائزتي نوبل في المجال نفسه. ^{[ 35 ]}

في أواخر الستينيات، رأى باردين أن كوبر وشريفر يستحقان جائزة نوبل لاكتشافهما نظرية BCS. كان قلقًا من احتمال عدم منحهما الجائزة بسبب تردد لجنة نوبل في منحها للشخص نفسه مرتين، وهو ما ينطبق عليه كونه أحد مؤلفي النظرية. رشّح باردين علماء عملوا على تأثيرات النفق الفائق التوصيل ، مثل تأثير جوزيفسون، لنيل الجائزة عام 1967: ليو إساكي ، وإيفار جيايفر ، وبرايان جوزيفسون . أدرك أن اعتماد تطورات النفق على الموصلية الفائقة سيزيد من فرص فوز نظرية BCS نفسها بالجائزة أولًا. كما رأى أن لجنة نوبل تميل إلى دعم الفرق متعددة الجنسيات، وهو ما كان عليه الحال مع مرشحيه لنظرية النفق، حيث كان كل منهم من دولة مختلفة. جدد باردين الترشيحات في أعوام 1971 و1972، عندما فازت نظرية BCS بالجائزة، وأخيرًا في عام 1973، عندما مُنحت الجائزة لنظرية النفق. ^{[ 36 ] : 230-231}

بدأ باردين يهتم بظاهرة النفق الكمومي في الموصلات الفائقة صيف عام 1960 بعد عمله كمستشار في مختبر أبحاث جنرال إلكتريك في سكنيكتادي، نيويورك، حيث اطلع على تجارب أجراها إيفار جيايفر في معهد رينسيلار للفنون التطبيقية ، والتي أشارت إلى إمكانية انتقال الإلكترونات من مادة عادية إلى مادة فائقة التوصيل عبر النفق الكمومي. ^{[ 36 ] : 222-223}

في 8 يونيو 1962، قدّم برايان جوزيفسون، البالغ من العمر آنذاك 22 عامًا، إلى مجلة "فيزيكس ليترز" تنبؤه بتدفق تيار فائق عبر حاجز، ^{[ 37 ]} وهو التأثير الذي عُرف لاحقًا باسم تأثير جوزيفسون . وقد طعن باردين في نظرية جوزيفسون في مذكرة نُشرت في بحثه الخاص، والتي تلقتها مجلة "فيزيكال ريفيو ليترز" بعد عشرة أيام ^{[ 36 ] : 222-225} : ^{[ 38 ].}

في مذكرة حديثة، يستخدم جوزيفسون صياغة مشابهة إلى حد ما لمناقشة إمكانية تدفق الميوعة الفائقة عبر منطقة النفق، حيث لا تتولد جسيمات شبهية. ومع ذلك، وكما أشار المؤلف (المرجع 3)، فإن الاقتران لا يمتد إلى الحاجز، وبالتالي لا يمكن أن يكون هناك تدفق للميوعة الفائقة.

نوقشت المسألة بتفصيل أكبر في المؤتمر الدولي الثامن لفيزياء درجات الحرارة المنخفضة، الذي عُقد في الفترة من 16 إلى 22 سبتمبر 1962 في جامعة كوين ماري بلندن . وبينما كان جوزيفسون يعرض نظريته، نهض باردين ليُبين اعتراضاته. وبعد نقاش حاد، لم يتمكن الرجلان من التوصل إلى اتفاق، وفي بعض الأحيان كان جوزيفسون يسأل باردين مرارًا: "هل حسبتها؟ لا؟ أنا من حسبتها." ^{[ 36 ] : 225-226}

في عام 1963، تم اكتشاف أدلة تجريبية وتوضيحات نظرية إضافية تدعم تأثير جوزيفسون، لا سيما في ورقة بحثية لفيليب دبليو أندرسون وجون رويل من مختبرات بيل. ^{[ 39 ]} بعد ذلك، تقبّل باردين نظرية جوزيفسون وسحب معارضته السابقة لها علنًا في مؤتمر عُقد في أغسطس 1963. كما دعا باردين جوزيفسون للعمل كباحث ما بعد الدكتوراه في إلينوي للعام الدراسي 1965-1966، ورشّح لاحقًا جوزيفسون وجيافر لجائزة نوبل في الفيزياء، والتي حصلا عليها في عام 1973. ^{[ 36 ] : 226}

سنة	منظمة	جائزة	الاستشهاد	المرجع.
1954	الجمعية الفيزيائية الأمريكية	جائزة أوليفر إي. باكلي	"لمساهماته في فيزياء أسطح أشباه الموصلات."	[ 51 ]
1956	الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم	جائزة نوبل في الفيزياء [ أ ]	"لأبحاثهم في مجال أشباه الموصلات واكتشافهم لتأثير الترانزستور."	[ 33 ]
1962	جامعة ديوك	جائزة فريتز لندن التذكارية	"لأبحاثه المتميزة في فيزياء درجات الحرارة المنخفضة، ولتطويره، مع ليون إم. كوبر وجيه آر شريفر، أول نظرية مجهرية ناجحة للموصلية الفائقة، والتي نُشرت عام 1957."	[ 52 ]
1971	معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE)	ميدالية الشرف من معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات	"لمساهماته العميقة في فهم موصلية المواد الصلبة، وفي اختراع الترانزستور، وفي النظرية المجهرية للموصلية الفائقة."	[ 53 ]
1972	الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم	جائزة نوبل في الفيزياء [ ب ]	"لنظريتهم المشتركة في مجال الموصلية الفائقة، والتي تسمى عادةً نظرية BCS."	[ 34 ]
1975	معهد فرانكلين	ميدالية فرانكلين	"نظرية وتكنولوجيا الموصلية الفائقة وأشباه الموصلات."	[ 54 ]
1983	جمعية المهندسين الغربية	جائزة واشنطن	"لإسهاماته الهندسية المتميزة في مجال البحث والتطوير في فيزياء الحالة الصلبة ودرجات الحرارة المنخفضة، ولخدمته للتعليم العالي ولبلدنا."	[ 55 ]
1987	أكاديمية العلوم في الاتحاد السوفيتي	ميدالية لومونوسوف الذهبية [ ج ]	"لإنجازات متميزة في مجال الفيزياء."	[ 56 ]
1988	جامعة بنسلفانيا	جائزة هارولد بيندر	"مخترع مشارك للترانزستور ومساهم في نظرية الموصلية الفائقة."	[ 57 ]

باردين هو الحائز الوحيد على جائزتين في الفيزياء ، وواحد من ثلاثة حائزين على جائزتين في نفس الجائزة؛ والآخران هما فريدريك سانجر الذي فاز بجائزتي الكيمياء عامي 1958 و1980 وكارل باري شاربلس الذي فاز بجائزتي الكيمياء عامي 2001 و2022 . ^{[ 58 ]}