Dvě Nobelovy ceny Johna Bardeena

John Bardeen jako jediný získal dvě Nobelovy ceny za fyziku

Ráno 1. listopadu 1956 vysypal John Bardeen v kuchyni na podlahu vajíčka, která právě usmažil k snídani. V tu chvíli se totiž dověděl, že dostal spolu s Walterem Brattainem a Williamem Shockleyem Nobelovu cenu za objev tranzistoru. Tento významný fyzik by se 23. května dožil 100 let.

Hrátky kolem Nobelovy ceny
John Bardeen je dosud jediným, kdo získal dvě Nobelovy ceny za fyziku. Jednu za objev tranzistoru, druhou za vysvětlení jevu supravodivosti. Počáteční euforie z ocenění tranzistoru se ale brzy rozplynula. Tranzistor byl všeobecně považován za výsledek úspěšné týmové práce, ale jen Bardeen věděl svoje. S Brattainem tvořil skutečně tvůrčí dvojici a jejich talent se výborně doplňoval. Shockley byl jejich šéf. Zpočátku byl platným členem týmu, postupně ho ale práce přestávala bavit a výzkumu se nezúčastňoval. Aby si pojistil své historické zásluhy, drobně upravil historii objevu tranzistoru, samozřejmě na úkor spolupracovníků. Bardeena nejvíc mrzelo, že vedení Bellových laboratoří zpočátku podporovalo Shockleyho verzi. Ale protože to byl noblesní člověk, pouze nebližší přátelé rozuměli výrazu v jeho očích a třesoucímu se hlasu kdykoliv padla zmínka o tranzistoru a Shockleym.

Cesta Johna Bardeena k fyzice
Narodil se právě před 100 lety 23. května 1908 v Madisonu v USA. Hlavní prioritou pro všechny členy rodiny bylo vzdělání. Aby se ve škole nenudil, zařídila jeho matka, že mohl několik školních let přeskočit. A tak v devíti letech absolvoval osmiletou základní školu a na střední nastoupil o pět let dříve. Otec ho cílevědomě vedl k vědecké práci. Mimořádně tichý a nenápadný hoch velmi lpěl na svém starším, extrovertním bratrovi Williamovi, který ho cvičil v komunikaci s okolím.

John Bardeen ve své pracovně

Matka zemřela, když bylo Johnovi necelých 12 let a otec se ani ne za šest měsíců oženil se svojí sekretářkou. Pod vlivem tohoto traumatu John dokončil ve 13 letech střední školu a byl připraven nastoupit na univerzitu. Vzhledem k věku se ale rozhodl věnovat dva roky speciálním přednáškám z matematiky. V patnácti letech nastoupil na univerzitu ve Wisconsinu, kde ho okamžitě zaujaly Van Vleckovy přednášky o kvantové mechanice. Cítil ale, že ještě není zralý stát se fyzikem, a tak začal studovat elektroinženýrství. Graduoval a potom i nějaký čas pracoval v Pittsburghu v geofyzice. Ta ho ale nezaujala, a tak se rozhodl pro postgraduální program věnovaný matematice na univerzitě v Princetonu. V noci před odjezdem z Pittsburghu potkal Jane Maxwellovou, která se později stala jeho životní družkou na celých 53 let. Princeton byl začátkem Bardeenovy fyzikální kariéry. Se svým blízkým přítelem Seitzem a se skupinou studentů dokázali jako první aplikovat kvantovou mechaniku na reálné pevné látky.

V roce 1935 doputoval konečně na Harvardovu univerzitu, kde byl na tři roky zařazen do skupiny mimořádně talentovaných mladých vědců. V prvním roce na Harvardu potkal Shockleyho, který dokončoval svou doktorskou práci. Oba rychle rozpoznali fyziku pevných látek coby společný zájem. V roce 1936 odešel Shockley do Bellových laboratoří a Bardeen se stal profesorem na univerzitě v Minessotě, kde se věnoval studiu supravodivosti. Během války musel pracovat ve vojenské laboratoři na námořním výzkumu. V osobním životě byl šťastný, narodily se mu tři děti, ale inženýrská práce ho nebavila.

Objev tranzistoru
Po válce se nevrátil na akademickou půdu, ale přešel také do Bellových laboratoří. Vznikla zde silná skupina složená ze dvou teoretiků, Shockleyho a Bardeena, dvou experimentátních fyziků Brattaina a Pearsona, chemika Gibneye a elektronika Moora. Jejich původním cílem bylo využít polovodiče k náhradě elektronek v telefonních systémech. Shockley vymyslel návrh křemíkového zesilovače řízeného polem. Teoreticky bylo vše v pořádku, Brattain ale experimentálně prokázal, že zařízení nefunguje. Výsledkem bylo, že Shockley se urazil. Bardeen velmi brzy zjistil, že příčina tkví v tom, že podstatná část elektronů se zachycuje v povrchových stavech a nepřispívá k elektrické vodivosti. Pro celou skupinu začala dlouhá etapa výzkumu povrchových stavů, Shockley ale ztratil na výzkumu zájem.

Schéma prvního tranzistoru z laureátské přednášky Johna Bardeena při přebírání Nobelovy ceny za fyziku v roce 1956

Magickým měsícem, který kulminoval jedním z nejvýznamnějších vědeckých objevů, byl listopad 1947. Brattain zjistil, že fotovoltaický jev, který právě studovali (světlo uvolňuje nosiče elektrického náboje a způsobuje elektrický proud) se zvýší, když celou aparaturu ponoří do elektrolytu. Bardeen okamžitě přišel s vysvětlením, že ionty v elektrolytu mohou vytvářet elektrické pole větší, než je "zpomalovací" pole povrchových stavů. Ukázalo se, že kladné napětí fotovoltaický jev zvyšuje, zatímco záporné napětí ho zmenšuje nebo dokonce zcela zruší. A tak našli novou cestu, jak vytvořit polovodičový zesilovač řízený polem. Bardeen mezitím navrhl použít místo křemíku germanium, které bylo vyvinuto za války k detekci vysokofrekvenčních signálů radaru. Elektrolyt nahradili oxidovou vrstvou na povrchu germania a 11. prosince 1947 byli připraveni demonstrovat polovodičový zesilovač. Jenže přišlo veliké překvapení.

Proud totiž tekl opačným směrem, než očekávali. Nastala horečné úsilí tuto zapeklitost vysvětlit. Postupně Bardeen s Brattainem přišli na to, že jejich oxidová vrstva je dávno pryč a díry - prázdné elektronové stavy, které působí jako kladné částice, mohou téct směrem do germania. Vzniklo tak zařízení, které zesilovalo proud na zcela jiném principu. Bardeen navrhl uspořádání, v němž nahradili elektrolyty bodovým kontaktem. Nakonec umístil kontakty na dva proužky zlaté fólie uložené těsně vedle sebe a zalisované do povrchu germania. Toto uspořádání mělo zajistit, aby kladné nosiče náboje - díry, tekly co nejblíže vstupnímu obvodu a zesílení bylo co největší. Povedlo se a 16. prosince 1947 se narodil hrotový tranzistor. Toho večera zamumlal Bardeen skoro neslyšně ke své ženě Jane: "Dneska jsme asi něco objevili."

Replika prvního funkčního tranzistoru

Zrada
Každý by čekal, že po historickém objevu zavládne povznesená atmosféra. Opak byl ale pravdou. Historický objev zcela zničil tvůrčího ducha polovodičové skupiny Bellových laboratoří. Shockley, který byl očividně zklamaný tím, že vynález byl realizován bez něho, šokoval Bardeena a Brattaina tím, že se pokusil tranzistor patentovat na své jméno. Patentový úřad ho naštěstí odmítl s tím, že jeho starý princip si již patentoval Polák Lilienfield v roce 1930. Shockley jako šéf alespoň odstavil oba své úspěšné kolegy od vývoje nového tranzistoru s přechodem p-n. V laboratoři zavládla místo radosti pochmurná nálada, zvláště když se ukázalo, že Shockley si experimenty na novém typu tranzistorů provádí tajně doma. Brzy to prasklo a Bardeen s Brattainem byli situací šokováni.

Vynálezci tranzistoru William Shockley (sedí), John Bardeen a Walter Brattain v roce 1948

Zpět k supravodivosti
Znechucený Bardeen se brzy z práce na tranzistoru stáhl a vrátil se ke "své" supravodivosti. Bellovy laboratoře ovšem tento problém nezajímal, a tak pracoval sám. 15. května 1950 se telefonicky dověděl od kolegy Serina z Rutgersovy univerzity o experimentech, které podporovaly jeho teorii supravodivosti. Problém ho zcela pohltil a byl si jist, že ho rozřeší. Věděl, že hlavním problémem je interakce elektronů s krystalickou mříží. V Bellových laboratořích cítil ostentativní nezájem o svojí novou práci, a tak po jistých peripetiích přešel na univerzitu v Illinois. Tam se k němu připojili tehdy mladí doktorandi, dnes členové fyzikální elity, Leon Cooper a Robert Schrieffer.

Koncem roku 1955 se zdálo, že je hádanka supravodivosti blízko rozřešení, Bardeen ale stále nebyl spokojen s teoretickým vysvětlením některých vedlejších jevů. V době, kdy se celá skupina cítila jako maratonec, který již vidí cíl, ale za zády cítí smečku pronásledovatelů, musel odjet Bardeen do Stockholmu převzít Nobelovu cenu za tranzistor. Kolegové ale pracovali i za něj. V lednu 1957 Schrieffera napadla během jízdy v metru formule, popisující základní vlnovou funkci supravodivého stavu. Bardeen okamžitě rozpoznal, že hřebík byl uhozen přímo na hlavičku a brzy potom skupina publikovala základní článek o BSC teorii supravodivosti (Bardeen, Schrieffer, Cooper).

Nositelé Nobelovy ceny za fyziku v roce 1956 za objev tranzistoru

Nobelova cena i podruhé
Bardeen si byl vědom, že jejich práce si zaslouží Nobelovu cenu možná více než tranzistor. Obával se ale, že Švédská akademie věd se bude držet tradice neudělovat více než jednu cenu jedné osobě v jednom oboru. Navrhl tedy na cenu zcela nezištně pouze své spolupracovníky. Nicméně v roce 1972 se Nobelův výbor rozhodl tradici porušit a udělil za BSC teorii cenu všem třem.

Nositelé Nobelovy ceny za fyziku v roce 1972 za vysvětlení supravodivosti

Z Bardeena se mezitím stal guru fyzikálního oddělení v Illinois, většinu času strávil zodpovídáním dotazů kolegů a studentů. Z každého úspěchu mladých vědců měl radost. Stalo se třeba, že napřed odmítl teorii třiadvacetiletého Briana Josephsona z Cambridge, týkající se kvantově mechanického tunelování mezi dvěma polovodiči. Přestože ve veřejné diskusi prohrál, Josephsona v další práci nadšeně podporoval.

Bádání do posledních chvil
V 80. letech Bardeen pokračoval v řešení složitých kvantově mechanických problémů v pevných látkách. Jeho zdraví se ale v důsledku prožitých stresů a pracovního vypětí začalo zhoršovat. Nikdy se ale nezačal vyhýbat fyzikálním výzvám. Když byla objevena vysokoteplotní supravodivost, Bardeen chytil další dech a okamžitě začal pracovat na teorii tohoto jevu. 30. ledna 1991 ho ale postihl infarkt. Problém vysokoteplotní supravodivosti nebyl rozřešen dodnes.

Bardeenova fyzika změnila moderní svět, ale kromě fyzikální komunity málokdo jeho jméno vůbec zná. Netoužil ztotožnit se s obrazem velkého vědce, který se již narodí jako genius, je tak trochu blázen, nepotřebuje studovat, pracuje v osamění a jeho objevy přicházejí magicky bez velkého úsilí. Některé velikány naší doby, včetně Einsteina a Feynmana, bavilo tuto fikci podporovat. Bardeen ale neměl nikdy zájem projevovat se jinak než jako obyčejný člověk, ovšem kromě svých neobyčejných výsledků.