John Bardeen

Science is a collaborative effort. The combined results of several people working together is often much more effective than could be that of an individual scientist working alone.

Vandaag, exact 112 jaar geleden, werd John Bardeen, Amerikaans fysicus en tweevoudig (!) Nobelprijswinnaar geboren. We kunnen gerust zeggen dat zonder John Bardeen je dit artikel nooit op je smartphone zou kunnen gelezen hebben. Tijd dus dat John Bardeen eens in de spotlights gezet wordt.

Zijn verhaal begint op 23 mei 1908 in Madison, Wisconsin, waar hij geboren wordt als zoon van de decaan van de Faculteit Geneeskunde van de Universiteit van Wisconsin, en een interieurontwerpster die oosterse kunst had gestudeerd. John was de tweede van vijf kinderen.

Toen John 12 was, werd zijn moeder plots ernstig ziek door kanker. Vader Bardeen dacht dat hij de kinderen hielp door de ernst van haar ziekte een beetje weg te moffelen: de dood van zijn moeder kwam als een mokerslag aan bij de jonge John. Zijn vader hertrouwde niet veel later om hulp te hebben in het opvoeden van vijf kinderen.

John was een ‘wonderkind’ met uitzonderlijk talent voor leren, en wiskunde in het bijzonder. Hij studeerde af aan het middelbaar op 15-jarige leeftijd, terwijl hij samen in de klas met zijn oudere broer Bill zat. Op zijn vijftiende ging hij dus al naar de universiteit van Wisconsin en studeerde daar vijf jaar later af als ingenieur elektrotechniek. Hier bleef hij nog twee jaar hangen als onderzoeksassistent, waarna hij vertrok naar Pittsburgh, Pennsylvania om geologisch werk te gaan verrichten bij Gulf Oil. Hij kwam daar echter al snel tot het inzicht dat zijn voornaamste interesses niet de praktische toepassingen waren, maar wel de theorie erachter. Bardeen gooide het helemaal over een andere boeg en vertrok naar Princeton, waar hij terug begon te studeren (na nochtans een rijkbetaalde job in Pittsburgh). John leerde er Eugene Wigner kennen, die zijn begeleider werd voor een doctoraat over het gedrag van vastestofoppervlakken. In 1935 vertrok hij echter weer naar Harvard, voor hij zijn doctoraat had afgerond (het werd echter het volgende jaar ingediend) en ging er werken aan theoretische berekeningen over allerlei metalen. Princeton en Harvard waren waarschijnlijk de beste beslissingen die hij kon maken. Hij ontdekte er zijn ware passie: de nieuwe theorieën in de kwantummechanica gebruiken om te begrijpen hoe materialen werken.

In die periode maakte Bardeen ook kennis met Jane Maxwell, een biologe die les gaf op een meisjesschool. Hij ontmoette haar tijdens een bezoek aan oude vrienden in Pittsburgh. Ze trouwden in 1938 en vormden een bijzonder goed stel. Ze kregen drie kinderen: Jim, Bill en Betsy. Vader John gaf zijn passie voor wetenschappen door aan zijn kinderen. Zijn twee zonen zijn immers eminente theoretische fysici in kosmologie en algemene relativiteit (Jim) en hoge-energy fysica (Bill). Betsy daarentegen trouwde een experimentele lagetemperatuursfysicus en was zelf IT’er tot haar overlijden in 2000.

In 1938 kreeg Bardeen een positie aan de universiteit van Minnesota. Bij het uitbreken van de Tweede Wereldoorlog liet Bardeen zijn chauvinistische kant zien door van Minnesota naar Washington DC te reizen om in het Naval Ordnance Laboratorium te gaan werken. Hij stond de marine bij op alle mogelijke manieren op Amerikaanse schepen en onderzeeërs te behoeden voor magnetische mijnen en torpedo’s. De uitnodiging om aan het Manhattan Project mee te helpen, weigerde hij echter.

Bell Labs

Na de oorlog werd John Bardeen een job aangeboden bij Bell Labs in New Jersey, waar hij in contact kwam met Walter Brattain en William Shockley (hoofd van de onderzoeksgroep). Zijn interesse in de vastestoffysica werd hier gestimuleerd door het rijke onderzoek naar halfgeleiders van beide heren. Naast goede vrienden en golfpartners, werden Bardeen en Brattain uitstekende onderzoekspartners. Ze vulden elkaar aan: Bardeen voor het analytische en theoretische gedeelte, Brattain met zijn experimentele vaardigheden.


Een halfgeleider is ‘half geleider’ en ‘half isolator’. Het onderscheid wordt duidelijk als we kijken naar een energiediagram van het materiaal. Het onderste energieniveau ‘de valentieband’ is steeds volledig gevuld met elektronen. In het uiterst linkse geval is de afstand tot het eerstvolgende lege energieniveau ‘ de conductieband’ groot en zal er geen geleiding zijn. Voorbeelden van dergelijke isolatoren zijn glas of porselein. In het andere geval helemaal rechts, zal die conductieband voldoende bezet zijn met elektronen die voor een goede geleiding zorgen. Dit zijn in essentie alle metalen. In het middelste geval zullen er slechts een aantal elektronen in de conductieband zitten. Dit zijn elektronen die vanuit de valentieband naar de conductieband ‘springen’ omdat ze energie krijgen door de omgevingstemperatuur. We kunnen als experimentatoren bovendien de geleidbaarheid van deze halfgeleider manipuleren door zogenaamde dopanten in het materiaal te steken. Dat maakt halfgeleiders bijzonder nuttig voor de technologie.

In die periode draaide de technologie (radio, televisie, telefonie…) op vacuümbuisversterkers: glazen buizen met een vacuüm in, waardoor een stroom vloeit als je twee contacten aansluit op een spanningsbron. Het belangrijkste was dat men de stroom exclusief in één richting konden doen vloeien en bovendien de amplitude van het signaal kon aanpassen. Die dingen slúrpten echter energie doordat ze enorm opwarmden! Dit zorgde er bovendien voor dat ze geregeld stuk gingen. Er was dus nood aan verandering in de manier waarop men elektrische stromen afstemde.

In 1947 zette Shockley het duo aan het werk: leg uit waarom een germaniumversterker die hij ontworpen had, niet werkte. Bardeen groef in zijn geheugen over de kwantummechanica van halfgeleiders die hij geleerd had op Princeton, en kwam dankzij Brattain’s experimenten tot een belangrijke vaststelling. Bardeen realiseerde zich dat de elektrische stroom niet door alle delen van het germanium gelijk stroomde, aan het oppervlak moest er iets anders aan de hand zijn. En effectief, Brattain en Bardeen kregen onder controle wat er aan de hand was op het oppervlak.

Het cruciale experiment bestond uit twee gouden contacten, die op een germaniumkristal werden gehouden, zodat de contacten het oppervlak lichtjes aanraakten. Het germanium zelf zat op een metalen plaat die aangesloten was op een spanningsbron. Dit germanium had een overdaad aan elektronen en wanneer een elektrisch signaal gestuurd werd door de goudfolie, ontstonden er ‘gaten’ (punten die het aan elektronen ontbreekt) in het oppervlak. Er ontstond op die manier een dunne oppervlaklaag met een schaarste aan elektronen. In essentie hadden Brattain en Bardeen een P-N junctie gecreëerd, een scheidingslaag tussen twee dezelfde materialen (germanium), waarvan de ene (P) te weinig elektronen heeft, en de andere (N) te veel. Door die P-N junctie zal er dus stroom beginnen lopen van onder naar boven (zie figuur hieronder), die tenslotte het tweede gouden contact bereikt.


‘Te veel aan elektronen?’ Als we terug ons figuurtje van een halfgeleider erbij nemen hierboven, dan kunnen we uitleggen wat die vraag betekent . Zoals vermeld kunnen we in het materiaal ‘dopanten’ inbrengen. Het germanium is een zogenaamde N-halfgeleider, die extra elektronen injecteert in conductieband. In de P-halfgeleider daarentegen zullen er elektronen opgenomen worden uit de valentieband, waardoor er gaten overblijven.

Denk eens na over wat dat betekent! Een kleine stroom in het ene gouden contact, verandert de ‘aard’ van de halfgeleider zodanig dat een andere, grotere stroom door het germanium begint te stromen en het tweede contact bereikt. Een kleine stroom kan dus de stroom van een veel grotere beïnvloeden en dus ‘versterken’. Bovendien zijn dergelijke halfgeleider-versterkers zeer gevoelig voor kleine input-veranderingen, en zal de stem van een persoon aan de telefoon, of van een gehele symfonie op de radio, nauwgezet gerepliceerd kunnen worden. Op 23 december 1947 slaagden Bardeen en Brattain er in om die eerste puntcontact-transistor te bouwen.

Het duurde echter nog zeker tot de jaren ’60 tot men volledig van de vacuümbuistechnologie afstapte. Met die reden ontwikkelde Bell Labs in 1953 dan ook dit authentieke filmpje over de transistor. https://www.youtube.com/

We kunnen niet genoeg benadrukken hoe belangrijk deze ontdekking was voor de ontwikkeling van de moderne elektronica. Aangezien de transistor veel kleiner was en minder verbruikte, konden de computers veel compacter en efficiënter worden. Een trend die zich vandaag de dag nog steeds doorzet met de toenemende miniaturizatie van elektronische apparaten (https://nl.wikipedia.org/wiki/Wet_van_Moore).

De ontwikkeling van de transistor was een enorme boost voor Bell Labs, maar het ging gepaard met een netelige kwestie. Technisch gezien was William Shockley de begeleider van Bardeen en Brattain, en hij vond dan ook dat hij hiervoor erkenning verdiende, hoewel hij er niet actief aan mee gewerkt had. Bardeen en Brattain waren hier niet mee akkoord en enkel hun namen verschenen dan ook op de eerste patenten. Shockley had echter niet te klagen. De puntcontact-transistor heeft nooit echt grote commerciële successen geboekt, dit omdat Shockley een maand later inmiddels de bipolaire transistor ontwierp, die vandaag de dag de grondslag vormt van de halfgeleiderindustrie. De situatie in Bell Labs was desalniettemin verziekt en Bardeen vertrok in 1951 dan ook naar Illinois, waar hij bleef werken tot zijn emeritaat in 1975.

Illinois

In Illinois was John Bardeen een zeer geliefd persoon. Buren en vrienden herinneren hem best voor de grote eetfestijnen die hij organiseerde en waarin hij zelf kookte. Velen van hen hadden geen idee van zijn ongelooflijke successen op de universiteit. Dit typeerde Bardeen. Hij was radicaal verschillend van het stereotype genie, en wilde eigenlijk liefst ‘gewoon’ zijn: gaan picknicken met zijn familie, gaan golfen met kameraden… Dit is waarschijnlijk ook één van de redenen dat deze bijzondere man eigenlijk vrij hard onder de radar (media) is gebleven.

In Illinois brak Bardeen zijn hoofd niet alleen over eigenschappen van halfgeleiders, maar nu ook over het fenomeen van supergeleiding, waarbij een materiaal geen elektrische weerstand meer heeft wanneer het afgekoeld wordt tot temperaturen nabij het absolute nulpunt (-273 °C) . Supergeleiding was reeds ontdekt in 1911 door de Leidenaar Heike Kamerlingh Ones, wiens lab we met de VVN vorig jaar bezocht hebben op de reis.


Het beroemde notitieboekje van Kamerlingh Ones, waarin hij vermeldt dat [de elektrische weerstand van] “Kwik nagenoeg nul” is bij een temperatuur van -270 °C. Eronder staat ‘Herhaald met goud’.

Echter in de jaren ’50 was dit nog steeds heel slecht begrepen. Het trok de aandacht van zowat elke theoretische fysicus in de 20ste eeuw, beginnende met Bohr en Einstein tot Lev Landau, Richard Feynman, Fritz London en nog vele anderen (https://en.wikipedia.org/wiki/Superconductivity).

Toen John Bardeen op de ochtend van 1 november 1956 tijdens het ontbijt naar de radio aan het luisteren was, liet hij zijn pan met gebakken eitjes plots op de grond vallen: de nieuwslezer had namenlijk net afgekondigd dat Bardeen samen met Shockley en Brattain de Nobelprijs Fysica gewonnen had!


John Bardeen, William Shockley & Walter Brattain in 1948.

De gloriedagen van John Bardeen bleken echter nog niet over te zijn. Bardeen werkte samen met een postdoctorandus, Leon Cooper, en een doctorandus, Robert Schrieffer aan een microscopische theorie van supergeleiding.


In de zogenaamde BCS-theorie zorgen (negatief geladen) elektronen die door het kristalrooster bewegen ervoor dat de (positief geladen) ionen van hun evenwichtsposities bewegen. Dit geeft vervolgens aanleiding tot zogenaamde fononen, kwantummechanische pakketjes van trillingsenergie. Die fononen spelen verder een belangrijke rol in het koppelen van elektronen, wat resulteert in de zogenaamde Cooperparen. Dit zorgt voor een aantrekkende kracht tussen elektronen, die de elektrische repulsie tussen beiden deels overwint.

De BCS-theorie is vandaag de dag nog steeds de fundering van al het theoretisch werk omtrent lagetemperatuursupergeleiders. (*) Niet alleen verklaarde het alle bestaande experimenten over supergeleiders, het voorspelde ook een heleboel eigenschappen die vervolgens geverifiëerd werden. Bardeen en zijn collega’s verdienden in 1972 de Nobelprijs “for their jointly developed theory of superconductivity, usually called the BCS-theory.” Bardeen werd de enige persoon in de geschiedenis die twee Nobelprijzen voor de Natuurkunde kreeg.


Leon Cooper, John Bardeen & Robert Schieffer bij de uitreiking van de Nobelprijs in Stockholm in 1972.

John Bardeen stierf op 30 januari 1991 op 82-jarige leeftijd aan een hartziekte in Boston. Minder dan een jaar voor zijn dood publiceerde hij nog artikels. John Bardeen werd uitgeroepen door LIFE Magazine als één van de 100 invloedrijkste personen van de 20ste eeuw.

We kunnen dit niet genoeg benadrukken: de uitvinding van de transistor is één van dé belangrijkste uitvindingen van de 20ste eeuw! We kunnen ons een wereld zonder John Bardeen niet meer voorstellen. Het is een mooi voorbeeld van hoe fundamenteel wetenschappelijk onderzoek kan leiden tot nuttige commerciële producten.

(*) Wat betreft kamertemperatuursupergeleiding, dat een grote rol kan spelen in het energieprobleem, is er nog steeds weinig vooruitgang. (https://en.wikipedia.org/wiki/High-temperature_superconductivity)

Bronnen:

door Bastiaan Aelbrecht